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Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Formen
eines Metallelements, welches geeignet ist, die Formbarkeit eines
Metallelements zu verbessern und dasselbe bedeutend zu verstärken.
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Hintergrund
der Erfindung
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Als
ein Verfahren zum Formen eines Metallelements ist ein Hydroforming-Verfahren
bekannt. Das Hydroforming-Verfahren ist eine Technik, bei der: ein
röhrenförmiges oder
zylindrisches Metallelement mit einem Hohlraum und eine formgebende
Matrize verwendet werden, welche eine formgebende Fläche aufweist,
die derart ausgebildet ist, daß sie eine
Zielform aufweist; Wasser in den Hohlraum des Metallelements eingespeist
wird, um die Wand des Metallelements auszubauchen und verformen;
und dann die ausgebauchte, verformte Wand geformt wird, indem sie
in innigen Kontakt (d.h. nahen Kontakt oder ohne Freiraum) mit der
formgebenden Fläche
der formgebenden Matrize gebracht wird.
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Gemäß dem obig
genannten Hydroforming-Verfahren wird die Wand des Metallelements durch
Einspeisen von Wasser in den Hohlraum des Metallelements ausgebaucht
und verformt, und dadurch- kann das Formen der Wand verwirklicht
werden. Es bestehen jedoch Beschränkungen bezüglich der Verwirklichung von
sowohl Formbarkeit eines Metallelements als auch bedeutender Verstärkung desselben.
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Insbesondere
ist es bei neueren Automobilteilen und dergleichen erforderlich,
die Materialdicke zu verringern, um Gewicht zu reduzieren. Im Fall einer
Verringerung der Materialdicke kann zwar die Formungskraft, die
zum Formen eines Metallelements notwendig ist, verringert werden,
aber es bestehen Beschränkungen
im Hinblick auf eine bedeutende Verstärkung des Metallelements.
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Darüber hinaus
ist es für
den Fall, daß es sich
um ein Material auf Eisen-Basis handelt, erforderlich, seine Zugfestigkeit
durch Erhöhung
des Gehalts eines Legierungelementes zu verbessern (d.h. hochfesten
Stahl herzustellen), während
gleichzeitig seine Dicke verringert wird. Wenn die Zugfestigkeit des
Materials auf solche Weise verbessert wurde, kann eine Verbesserung
der Stärke
des Metallelements verwirklicht werden, da aber die Verlängerung des
Materials verringert wird, nimmt die Formbarkeit des Materials ab,
und folglich besteht die Gefahr der Ausbildung von Rissen und anderer
Defekte im Verlauf des Ausbauchens und Verfohmens des Metallelements
als Folge der Anwendung des Hydroforming-Verfahrens.
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WO
01/23116 A1 offenbart ein Verfahren zum Formen eines verlängerten
röhrenförmigen Rohlings
in eine röhrenförmige Strukturkomponente durch
Anwendung eines unter Hochdruck stehenden Gases zum Anpassen an
die Innenfläche
eines Mantels, in welchem die röhrenförmige Komponente durch
induktives Erhitzen des Mantels erhitzt wird. Das resultierende
Produkt wird außerdem
zu einer separaten Abschreckstation gebracht. Der Abschreckungsschritt
kann jedoch nicht gleichzeitig mit dem formgebenden Schritt ausgeführt werden,
und es bleibt für
zukünftige
Verbesserung viel zu wünschen übrig.
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Aus
der internationalen Patentanmeldung WO 98/54370 A1 ist ein Verfahren
zum Formen eines abgeschreckten, dünnwandigen hohlen Metallelements
durch Blasformung bekannt, im Verlaufe dessen ein erhitztes Metallelement
in eine ggf. vorgehaltene Matrize eingebracht wird, das erhitzte
Metallelement durch Ausweiten bis zu den Innenwänden der Matrize durch Zufuhr
eines vorgeheizten, unter Druck stehenden Mediums geformt wird,
und in einem späteren
Schritt das verformte, hohle Metallelement rasch abgekühlt wird,
indem das erhitzte Medium durch ein gekühltes, unter Druck stehendes
Medium ersetzt wird und Leiten eines Kühlmediums durch die Matrize,
um diese zu kühlen.
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Die
deutsche Patentschrift
DE
100 12 974 C1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlprofils,
bei welchem mit Hilfe eines Innenhochdruck-Umformungswerkzeugs kalt
umgeformt wird, danach auf eine Temperatur oberhalb der Austenittemperatur
erhitzt wird und danach abgeschreckt wird, wobei sich das ursprüngliche
austenitische Gefüge
in ein Martenist- oder Bainit-Gefüge umwandelt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung wurde unter den oben beschriebenen Umständen gemacht.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum
Formen eines Metallelements bereitzustellen, welches geeignet ist,
sowohl Formbarkeit als auch eine bedeutende Verstärkung eines
Metallelements bereitzustellen.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Formen eines Metallelements bereitgestellt, welches die folgenden Schritte
umfaßt:
Bereitstellen und Verwenden eines (typischerweise zylindrischen
oder röhrenförmigen (hierin
umfassend "zylindrisch" bezeichneten)) Metallelements
mit einem Hohlraum und einer formgebenden Matrize mit einer formgebenden
Fläche;
und Ausführen
eines formgebenden und abschreckenden, insbesondere abschreck-verstärkenden,
Schrittes durch Erhöhen
eines Innendrucks eines Gases, welches in dem Hohlraum des Metallelements
enthalten ist, das bis auf einen Temperaturbereich erhitzt ist,
der zum (Verstärken
durch) Abschrecken (d.h. Abschreck-Verstärken) geeignet ist, eine Wand
eines Metallelements auszubauchen und/oder zu verformen, wobei das
Formen der ausgebauchten, verformten Wand des Metallelements dadurch
ausgeführt
wird, daß diese
Wand in innigen Kontakt mit der formgebenden Fläche der formgebenden Matrize
gebracht wird, verbunden mit gleichzeitigem Abschrecken (Abschreck-Verstärken) der
Wand.
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Gemäß dem Verfahren
zum Formen eines Metallelements der vorliegenden Erfindung wird
zunächst
ein Metallelement bis auf einen zum Abschrecken (Abschreck-Verstärken) geeigneten
Temperaturbereich erhitzt. Dann wird in einem formgebenden und abschreckenden
(abschreck-verstärkenden) Schritt
eine Wand des Metallelements durch Erhöhen des Innendrucks eines in
einem Hohlraum des Metallelements enthaltenen Gases in einen ausgebauchten
und/oder verformten Zustand überführt. Während dieser
Zeitspanne kann das Metallelement auf einer bedeutend höheren Temperatur
gehalten werden als im Fall, wo Wasser in dem Hohlraum des Metallelements
enthalten ist, wie dies beim Hydroforming-Verfahren der Fall ist.
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Außerdem wird
gemäß dem Verfahren
zum Formen eines Metallelements der Erfindung die Wand des Metallelements
dadurch geformt, daß sie in
innigen Kontakt mit einer formgebenden Fläche einer formgebenden Matrize
gebracht wird und daraufhin gleichzeitig Abschrecken (Abschreck-Verstärken) stattfindet.
Indem das Material auf diese Weise ausgebaucht und verformt wird,
kann eine Verlängerung des
Metallelements sichergestellt werden, da das Metallelement auf einen
zum Abschrecken (Abschreck-Verstärken)
geeigneten Temperaturbereich erhitzt wurde. Als Ergebnis davon kann
die plastische Verformbarkeit des Metallelements verbessert werden,
und auch Verformbarkeit und/oder Formbarkeit in einem ausgebauchten
Zustand des Metallelements können
verbessert werden.
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Die
hierin verwendete Bezeichnung "ausbauchen" bedeutet nicht,
daß das
Werkstück
in seiner Gesamtheit "ausgebaucht" wird, sondern umfaßt auch
den Fall partiellen Ausbauchens, d.h. einen Fall, in dem nur ein
Teil eines Werkstücks
unter dem angewandten hohen Druck innerhalb des Innenhohlraums des
Werkstücks
ausgebaucht oder verformt wird.
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Zusätzlich kann
das Metallelement in dem oben beschriebenen formgebenden und abschreckenden
(abschreck-verstärkenden)
Schritt abgeschreckt und verstärkt
werden, indem das ausgebauchte und/oder verformte Metallelement
in innigen Kontakt mit einer formgebenden Fläche einer formgebenden Matrize
gebracht wird, um eine bedeutende Verstärkung (Gefügeumwandlung) des Metallelements
zu verwirklichen.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Formen eines
Metallelements bereitgestellt, welches die folgenden Schritte umfaßt:
- (a) Anordnen eines zylindrischen Metallelements mit
einem Hohlraum in einer formgebenden-Matrizen-Anordnung,
- (b) Erhitzen des Metallelements, welches in der formgebenden-Matrizen-Anordnung
angeordnet ist,
- (c) in-innigen-Kontakt-Bringen einer vorgesehenen Oberfläche des
Metallelements mit einer vorgesehenen Fläche einer formgebenden-Matrizen-Anordnung
durch Zuführen
eines unter Druck stehenden Gases in den Hohlraum des in der formgebenden-Matrizen-Anordnung
erhitzten Metallelements, um dadurch das Metallelement plastisch
zu verformen, und
- (d) Abschrecken des Metallelements unmittelbar nach dessen Verformung,
durch Kühlen
des Metallelements, während
es in der formgebenden-Matrizen-Anordnung angeordnet ist. Durch dieses
Verfahren werden das Erhitzen, Verformen und Kühlen des Metallelements nacheinander oder
kontinuierlich innerhalb der Matrizen-Anordnung ausgeführt. Das
heißt,
daß Formen
und Wärmebehandlung
des Metallelements kontinuierlich in situ ausgeführt werden, was zu einem verbesserten
Betrieb führt.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Formen eines
Metallelements bereitgestellt, welches die folgenden Schritte umfaßt:
- a) Erhitzen eines zylindrischen Metallelements
mit einem Hohlraum,
- b) Anordnen des erhitzten Metallelements in einer formgebenden-Matrizen-Anordnung,
- c) In-innigen-Kontakt-Bringen des erhitzten Metallelements mit
einer vorgesehenen Fläche
der formgebenden-Matrizen-Anordnung
durch Zuführung
eines unter Druck stehenden Gases in den Hohlraum des Metallelements,
um dadurch das Metallelement plastisch zu verformen,
- d) Abschrecken des Metallelements unmittelbar nach der Verformung
des Metallelements, durch Kühlen
der formgebenden-Matrizen-Anordnung, während das Metallelement in
der formgebenden-Matrizen-Anordnung angeordnet ist. Durch dieses
Verfahren werden Verformen und Kühlen des
Metallelements kontinuierlich innerhalb der Matrizen-Anordnung ausgeführt. Das
heißt,
daß Formen
und Wärmebehandlung
des Metallelements kontinuierlich in situ ausgeführt werden.
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Gemäß einem
vierten Aspekt wird ein Metallelementprodukt bereitgestellt, welches
gemäß dem unter
einem der vorangehenden Punkte definierten Verfahren hergestellt
wurde.
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Gemäß einem
fünften
Aspekt wird eine Vorrichtung zum Formen eines Metallelements bereitgestellt,
welche umfaßt:
eine
formgebende-Matrizen-Anordnung zum Anordnen eines zylindrischen
Metallelements mit einem Hohlraum in einem Matrizenhohlraum der
formgebenden-Matrizen-Anordnung,
eine Gasversorgungseinrichtung
zum Zuführen
eines unter Druck stehenden Gases in den Hohlraum des Metallelements,
welches innerhalb des Matrizenhohlraums der formgebenden-Matrizen-Anordnung
erhitzt ist, und
eine Kühleinrichtung
zum Kühlen
der formgebenden-Matrizen-Anordnung,
die zum Abschreck-Härten (Abschreck-Verstärken) des
Metallelements konfiguriert ist, welches in der formgebenden-Matrizen-Anordnung
angeordnet ist und plastisch verformt wird. Die Vorrichtung umfaßt weiterhin
eine Steuereinheit zum Steuern der Gasversorgungseinrichtung, um das
Ausbauchen und/oder Verformen des Metallelements zusammen mit dessen
Abschreck-Härten auszuführen. Gemäß dieser
Vorrichtung werden Verformen und Abschrecken kontinuierlich innerhalb
der Matrizenanordnung ausgeführt.
Das heißt,
daß Formen
und Wärmebehandlung
des Metallelements kontinuierlich in situ ausgeführt werden.
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Die
Vorrichtung kann weiterhin eine Heizvorrichtung zum selektiven Erhitzen
des in dem Matrizenhohlraum der formgebenden-Matrizen-Anordnung
angeordneten Metallelements umfassen.
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Kurze Erläuterung
der Zeichungen
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1 ist
eine perspektivische Ansicht, die zu einem ersten Beispiel der Erfindung
gehört,
und die schematisch ein Verfahren darstellt, bei dem ein erweiteter
Teil an beiden Enden eines Metallelements geformt wird und dieses
in einer Ofenkammer eines Ofens angeordnet wird.
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2 ist
eine Querschnittsansicht, die zum ersten Beispiel der Erfindung
gehört,
und schematisch einen Zustand darstellt, in dem das erhitzte Metallelement
in einer formgebende Matrize angeordnet ist.
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3 ist
eine Querschnittsansicht, die zum ersten Beispiel der Erfindung
gehört,
in der schematisch ein Zustand dargestellt ist, in dem Gas in einen Hohlraum
des Metallelements zugeführt
wird und, unter der Bedingung, daß das erhitzte Metallelement in
der formgebenden Matrize angeordnet ist, sich eine Wand des Metallelements
ausbaucht.
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4 ist
eine Querschnittsansicht, die zu einem zweiten Beispiel der Erfindung
gehört,
in der schematisch ein Zustand dargestellt ist, in dem ein Metallelement
einer formgebenden Matrize gegenüberliegend
erhitzt wird.
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5 ist
eine Querschnittsansicht, die zum zweiten Beispiel der Erfindung
gehört,
in der schematisch ein Zustand unmittelbar vor Gaszufuhr in einen Hohlraum
des erhitzten Metallelements dargestellt ist, welches so angeordnet
ist, daß es
der formgebenden Matrize gegenüberliegt.
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6 ist
eine Querschnittsansicht, die zu einem dritten Beispiel der Erfindung
gehört,
in der schematisch ein Zustand des Erhitzens eines einer formgebenden
Matrize gegenüberliegenden
Metallelements dargestellt ist.
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7 ist
eine Querschnittsansicht, die zum dritten Beispiel der Erfindung
gehört,
in der schematisch ein Zustand unmittelbar vor Gaszufuhr in einen Hohlraum
des erhitzten Metallelements dargestellt ist, welches derart angeordnet
ist, daß es
der formgebenden Matrize gegenüberliegt.
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8 ist
eine Querschnittsansicht, die zu einem vierten Beispiel der Erfindung
gehört,
in der schematisch ein Zustand des Erhitzens eines einer formgebenden
Matrize gegenüberliegenden
Metallelements dargestellt ist.
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9 ist
eine Querschnittsansicht, die zum vierten Beispiel der Erfindung
gehört,
in der schematisch ein Zustand unmittelbar vor Gaszufuhr in einen Hohlraum
des erhitzten Metallelements dargestellt ist, welches derart angeordnet
ist, daß es
der fomgebenden Matrize gegenüberliegt.
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10 ist
eine perspektivische Ansicht, in der eine erstes angewandtes Beispiel
der Erfindung dargestellt ist.
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11 ist
eine perspektivische Ansicht, in der ein zweites angewandtes Beispiel
der Erfindung dargestellt ist.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung
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Gemäß einem
erfindungsgemäßen Verfahren
zum Formen eines Metallelements kann zumindest eine der folgenden
Ausführungsformen
verwendet werden.
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Ein
Metallelement weist eine zylindrische Form mit einem Hohlraum auf.
Als zylindrische (oder röhrenförmige) Form
können
solche mit einem runden oder einem eckigen (d.h. polygonalen oder
rechteckigen) oder jeglichem sonstigen Querschnitt verwendet werden.
Das Metallelement kann vor Ausführung
eines formgebenden und abschreckenden (abschreck-verstärkenden)
Schrittes eine geradezylindrische Form oder eine zylindrische Form
aufweisen, die wenigstens gebogene, konkave und/oder konvexe Bereiche
aufweist. Das Metallelement kann ein einheitlicher geformeter (gestalteter)
Artikel oder ein zusammengesetztes Produkt aus mehreren Materialien
sein.
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Bezüglich eines
Materials des Metallelements kann eine Ausführungsform verwendet werden,
in der das Material ein Material auf Eisen-Basis, einschließlich einem Legierungsstahl,
wie etwa Stahl hoher Spannung („high tension steel"), rostfreiem Stahl
oder dergleichen, ein Material auf Titan-Basis, ein Material auf
Aluminium-Basis oder ein Material auf Kupfer-Basis ist. Es ist jedoch
nicht nötig,
das Material des Metallelements auf die beispielhaft angeführten Materialien
zu beschränken.
Der Begriff „Stahl
hoher Spannung" bedeutet
Stahl hoher Zugfestigkeit, welcher aus Stahl hergestellt ist, der
eine hohe Zugfestigkeit aufweist. Als „Stahl hoher Spannung" kann Metall auf
Eisen-Basis mit einer Zugfestigkeit von nicht weniger als 500 MPa
(=50 kgf/mm2), Metall auf Eisen-Basis mit einer Zugfestigkeit
von nicht weniger als 600 MPa, Metall auf Eisen-Basis mit einer
Zugfestigkeit von nicht weniger als 800 MPa, Metall auf Eisen-Basis
mit einer Zugfestigkeit von nicht weniger als 1000 MPa, oder Metall
auf Eisen-Basis mit einer Zugfestigkeit von nicht weniger als 1500
MPa verwendet werden. Im Allgemeinen weist hochfester Stahl eine
hohe Stärke
auf, nicht notwendigerweise jedoch genügende plastische Verformbarkeit.
Erfindungsgemäß werden
diese Metallelemente erhitzt, bevor sie abgeschreckt und verstärkt werden,
so daß die
plastische Verformbarkeit jedes Metallelements verbessert werden
kann. Als Folge daraus können
Verformbarkeit und Formbarkeit in ausgebauchtem Zustand des Metallelements
sogar in dem Fall verbessert werden, in dem die plastische Verformbarkeit
des Metallelements ungenügend
ist, wie dies der Fall ist, wenn ein Material des Metallelements
sich in einem Zustand hoher Spannung befindet. Folglich kann für den Fall,
daß geformte
Formen der Metallelemente voneinander verschieden sind und für den Fall,
daß der
Formungsgrad des Metallelements groß ist, die Formbarkeit jedes
Metallelements sichergestellt werden.
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Bezüglich des
Erhitzens des Metallelements kann eine Ausführungsform verwendet werden,
in der das Erhitzen durch wenigstens einen der folgenden Arbeitsvorgänge ausgeführt wird:
Halten des Metallelements in einer Ofenkammer eines Erhitzungsofens,
Induktionserhitzen des Metallelements und Widerstandserhitzen zur
Zufuhr elektrischer Energie zum Metallelement (bzw. zum elektrischen
Erregen des Metallelements). Wenigstens zwei dieser Arbeitsvorgänge können in
Kombination verwendet werden. Mit anderen Worten kann nach Halten
des Metallelements in der Ofenkammer des Ofens Induktionserhitzen
des Metallelements ausgeführt
werden. Andernfalls kann nach Halten des Metallelements in der Ofenkammer
des Ofens Widerstandserhitzen zur Zufuhr elektrischer Energie zum
Metallelement (bzw. zum elektrischen Erregen des Metallelements)
ausgeführt
werden. Wenn nicht auf solche Weise, können ohne Ausführen des
Arbeitsvorgangs zum Halten des Metallelements in der Ofenkammer
des Ofens Induktionserhitzen und Widerstandserhitzen (im Allgemeinen
elektrisches Erhitzen) ausgeführt werden.
Induktionserhitzen und Widerstandserhitzen können simultan oder nacheinander
ausgeführt
werden.
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Bezüglich des
Arbeitsvorgangs zum Halten des Metallelements in der Ofenkammer
des Ofens kann eine Ausführungsform
verwendet werden, in der dieser Arbeitsvorgang unter der Bedingung
ausgeführt
wird, daß die
Ofenkammer des Ofens eine nicht-oxidierende Atmosphäre aufweist.
Als die nicht-oxidierende Atmosphäre kann wenigstens eine der
Atmosphären
von Vakuum-Atmosphäre,
reduzierender Atmosphäre
und inerter Atmosphäre
verwendet werden. Das reduzierende Gas kann wenigstens eines aus
der Gruppe von CO-Gas-Atmosphäre
und CO-enthaltender Gas-Atmosphäre sein.
Die Inertgas-Atmosphäre
kann eine Stickstoff-Atmosphäre oder
eine Edelgasatmosphäre
aus Argon oder dergleichen sein.
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Für den Induktionserhitzungsarbeitsvorgang kann
eine Ausführungsform
verwendet werden, bei der dieser Arbeitsvorgang dadurch verwirklicht
wird, daß ein
Wechselstrom an ein elektrisch leitfähiges Element zum Induktionserhitzen
angelegt wird, während
das leitfähige
Element in der Nähe
von (bevorzugt innerhalb des Hohlraums von) dem innerhalb der Matrize
angeordneten Metallelement angeordnet ist, um das Metallelement
(selektiv, soweit wie möglich)
Induktionszuerhitzen. Das leitfähige
Element zum Induktionserhitzen kann spulenförmig oder plattenförmig sein.
Grundsätzlich
kann das leitfähige
Element jede Form annehmen, wenn es das Metallelement Induktionserhitzen
kann. Die Frequenz des an das leitfähige Element anzulegenden Wechselstroms kann
geeignet innerhalb eines Frequenzbereiches gewählt werden, welcher geeignet
ist, das Metallelement Induktionszuerhitzen, wobei das Material
des Metallelements, Gerätekosten,
Induktionserhitzungsfähigkeit
und dergleichen Beachtung finden und demgemäß können ein Niedrigfrequenzbereich,
Mittelfrequenzbereich oder Hochfrequenzbereich den Umständen entsprechend
eingesetzt werden. Anwendbare Frequenzen können z.B. von 0,5 bis 5000 kHz
reichen, insbesondere 1 bis 2000 kHz. Der anwendbare Frequenzbereich
ist jedoch nicht auf diese beispielhaften Frequenzen beschränkt.
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Wenn
ein Hochfrequenz-Wechselstrom an das leitfähige Element zum Induktionserhitzen
des Metallelements angelegt wird, kann eine Oberflächenschicht
des Metallelements effizient erhitzt werden, da ein Naheffekt (proximity
effect), welcher geeignet ist, die nahe dem leitfähigen Element
im Metallelement liegende Oberflächenschicht
effizient zu erhitzen, und auch ein Hauteffekt (skin effect), welcher
durch das Durchlaufen eines elektrischen Stroms durch die Oberflächenschicht
des Metallelements entsteht, erwartet werden können.
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Bei
dem Widerstandserhitzungsarbeitsvorgang (zum elektrischen Erregen
des Metallelements) kann eine Ausführungsform verwendet werden,
bei der dieser Arbeitsvorgang dadurch ausgeführt wird, dass dem Metallelement
von den Anschlüssen
elektrische Energie zugeführt
wird (daß das
Metallelement von den Anschlüssen
(energizing terminals) elektrisch erregt wird), während die
Anschlüsse
mit dem einer formgebenden Fläche
einer formgebenden Matrize gegenüberliegenden
Metallelement verbunden sind, um das Metallelement durch Joulewärme zu erhitzen.
Ein elektrischer Strom zur Zufuhr elektrischer Energie zum Metallelement
(zum elektrischen Erregen des Metallelements) von den Anschlüssen kann
ein Gleichstrom oder ein Wechselstrom (AC) sein. Wenn Wechselstrom
verwendet wird, kann dessen Frequenz in einem niedrigen, mittleren
oder hohen Frequenzbereich liegen, je nach Umständen, wobei das Material des
Metallelements, Gerätekosten,
Erhitzungsfähigkeit
und dergleichen Beachtung finden. Die Frequenz kann in einem Bereich
von, z.B., von 0,5 bis 5000 kHz, insbesondere von 1 bis 2000 kHz
liegen. Die Frequenz ist jedoch nicht auf diese beispielhaften Frequenzen
beschränkt.
Wenn ein Hochfrequenz-Wechselstrom von einem der Anschlüsse an das
Metallelement angelegt wird, kann eine Oberflächenschicht des Metallelements
effizient erhitzt werden, da der Hauteffekt erwartet werden kann,
der durch das Durchlaufen eines elektrischen Stroms durch die Oberflächenschicht
des Metallelements entsteht.
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Das
Metallelement kann aus einem Material auf Eisen-Basis hergestellt
sein, und es kann eine Ausführungsform
verwendet werden, in der das Metallelement bis auf einen Temperaturbereich
von nicht weniger als dem A1-Transformationspunkt
(eine zum Härten
geeignete Temperatur) erhitzt wird. Der Begriff „nicht geringer als A1-Punkt" bedeutet ein Temperaturbereich,
welcher höher
ist als eine Temperatur, bei der Austenit erzeugt wird. Je nach
Fall kann auch eine Ausführungsform
verwendet werden, bei der das Metallelement bis zu einem Temperaturbereich
von nicht weniger als dem A3-Transformationspunkt erhitzt wird.
Vorzugsweise wird die maximale Erhitzungstemperatur des Metallelements
auf eine Temperatur einer Matrix des Metallelements festgesetzt,
bei der eine flüssige
Phase erzeugt wird.
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Im
formgebenden und abschreckenden (abschreckverstärkenden) Schritt kann wenigstens
ein Teil des Metallelements gehärtet
werden, um eine beschleunigte Transformation in einen Martensitzustand
dadurch bereitzustellen, daß eine
Wand des Metallelements in innigen Kontakt mit einer formgebenden
Fläche
einer formgebenden Matrize gebracht wird. Härten auf diese Art kann zum
Verstärken
des Metallelements erfolgversprechend sein. Die Erzeugung von Troostit,
Sorbit oder dergleichen zusammen mit oder anstatt von Martensit
ist ebenfalls zulässig.
Troostit oder Sorbit werden leicht gebildet, wenn die Abkühlungsgeschwindigkeit
kleiner ist als die, welche zum Erzeugen von Martensit erforderlich ist.
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Im
Fall, wo das Metallelement auf Eisen basiert, kann es zum Verbessern
der Härtungseigenschaften
ein Legierungselement mit einem hohen multiplizierenden Faktor enthalten.
Legierungselemente mit einem hohen multiplizierenden Faktor schließen Kohlenstoff,
Mangan, Silizium, Nickel, Chrom und Molybdän ein, und wenigstens eines
dieser Legierungselemente kann in dem Metallelement enthalten sein.
Für den
Fall, daß das
Metallelement aus einem Material auf Eisen-Basis ist, existieren
viele Fälle,
in denen der Gehalt wenigstens eines der oben beschriebenen Legierungselemente
zum Transformieren des Materials in ein solches hoher Spannung erhöht wird.
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Für die formgebende
Matrize kann eine Ausführungsform
verwendet werden, bei der die formgebende Matrize eine Kühleinrichtung
zum Kühlen
der formgebenden Matrize aufweist. Bezüglich der Kühleinrichtung kann wenigstens
eines der folgenden Systeme verwendet werden: ein System, in dem
ein Kühldurchgang
innerhalb der formgebenden Matrize ausgebildet ist und ein Kühlmittel
wie etwa Kühlwasser,
Kühlgas
oder dergleichen im Kühldurchgang
ist; und ein System, in dem ein Kühlmittel wie etwa Kühlwasser,
Kühlgas
oder dergleichen in innigen Kontakt mit der formgebenden Fläche der
formgebenden Matrize gebracht wird. Ein Material der formgebenden Matrize
schließt
ein Metall ein, welches sowohl gute thermische Leitfähigkeit
als auch gute Beständigkeit aufweist,
wie etwa Kohlenstoffstahl, Legierungsstahl und dergleichen.
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Gemäß dem vorliegenden
erfindungsgemäßen Verfahren
wird eine Wand des Metallelements ausgebaucht und/oder verformt,
um durch Erhöhen des
Innendrucks eines in einem Hohlraum des Metallelements enthaltenen
Gases in Kontakt mit der formgebenden Fläche der formgebenden Matrize
zu kommen. Für
einen Arbeitsvorgang zum Erhöhen
des Innendrucks kann eine Ausführungsform
verwendet werden, bei der ein Arbeitsvorgang dadurch ausgeführt wird,
daß Gas
in den Hohlraum des Metallelements zugeführt wird. Das in den Hohlraum
zuzuführende
Gas kann wenigstens eines aus der Gruppe bestehend aus Luft, Stickstoffgas,
stickstoffreichem Gas, Argongas und argonreichem Gas sein. Der Begriff „stickstoffreiches
Gas" bezieht sich
auf ein Gas mit hoher Stickstoffkonzentration. Der Begriff „argonreiches
Gas" bezieht sich
auf ein Gas mit einer hohen Argonkonzentration.
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Bezüglich des
Arbeitsvorgangs zum Zuführen
von Gas in den Hohlraum des Metallelements kann eine Ausführungsform
verwendet werden, in der ein Arbeitsvorgang von einer Hochdruckgasversorgung
durchgeführt
wird, die zum Zuführen
eines unter Hochdruck stehenden Gases geeignet ist. Unter Berücksichtigung
der Formbarkeit des Metallelements ist der Druck des unter Hochdruck
stehenden Gases vorzugsweise eher hoch. Der Druck des unter Hochdruck
stehenden Gases kann z.B. auf nicht weniger als 10 MPa, nicht weniger
als 15 MPa, nicht weniger als 20 MPa oder nicht weniger 30 MPa eingestellt
werden. Berücksichtigt
man jedoch die Anwendungen, liegt er vorzugsweise in einem Bereich
von 15 bis 25 MPa, von 17 bis 23 MPa, oder von 19 bis 21 MPa, oder
wird andernfalls auf 20 MPa eingestellt. Beispiele für Hochdruckgasversorgungsquellen
umfassen eine Druckbombe, eine Werksluftversorgungsleitung und dergleichen.
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Für das Metallelement
kann eine Ausführungsform
verwendet werden, in der das Metallelement eine Öffnung aufweist, welche mit
seinem Hohlraum in Verbindung steht und durch eine sich verjüngende offene
(z.B. konische) Wandfläche
ausgebildet ist. In diesem Fall kann eine Ausführungsform verwendet werden,
in der eine Öffnung
des Metallelements durch direktes oder indirektes Anbringen einer
Dichtung, welche eine der der sich verjüngenden offenen Wandfläche entsprechende
Schräge
aufweist, auf der sich verjüngenden
offenen Wandfläche abgedichtet
werden. In diesem Fall wird eine gute Abdichtung der sich verjüngenden,
die Öffnung
des Metallelements bildenden Wandfläche verwirklicht, da die Dichtung
auf der sich verjüngenden
offenes Wandfläche
angebracht ist.
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Als
eine Ausführungsform
des Verfahrens zum Formen des Metallelements kann das folgende Verfahren
verwendet werden. Und zwar umfaßt
das Verfahren die folgenden Schritte: Anordnen eines zylindrischen
Metallelements mit einem Hohlraum in einer formgebenden-Matrizen-Anordnung;
Erhitzen des in der formgebenden-Matrizen-Anordnung angeordneten
Metallelements; Bringen einer vorgesehenen Oberfläche des
Metallelements in innigen Kontakt mit einer vorgesehenen Fläche der
formgebenden-Matrizen-Anordnung durch Zuführen eines unter Druck stehenden
Gases in den Hohlraum des Metallelements, welches in der formgebenden-Matrizen-Anordnung.
erhitzt wird, um dadurch das Metallelement plastisch zu verformen;
und Abschrecken des Metallelements unmittelbar nach der Verformung des
Metallelements, durch Kühlen
des Metallelements, während
das Metallelement in der formgebenden-Matrizen-Anordnung angeordnet
ist.
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Auch
das folgende Verfahren kann zum Formen des Metallelements verwendet
werden. Und zwar umfaßt
das Verfahren die folgenden Schritte: Erhitzen eines zylindrischen
Metallelements mit einem Hohlraum; Anordnen des erhitzten Metallelements
in einer formgebenden-Matrizen-Anordnung; Bringen
des erhitzten Metallelements in innigen Kontakt mit einer vorgesehenen
Fläche
der formgebenden-Matrizen-Anordnung durch Zuführen eines unter Druck stehenden
Gases in den Hohlraum des Metallelements, um dadurch das Metallelement
plastisch zu verformen; und Abschrecken des Metallelements unmittelbar
nach der Verformung des Metallelements, durch Kühlen der formgebenden-Matrizen-Anordnung,
während
das Metallelement in der formgebenden-Matrizen-Anordnung angeordnet
ist.
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Ein
Metallelementprodukt mit einer gewünschten Form kann gemäß einer
der hiervor genannten Verfahren hergestellt werden. Durch Verwendung
einer der zuvor genannten Verfahren können sowohl Formung als auch
bedeutende Verstärkung
des Metallelements erreicht werden.
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Als
eine Vorrichtung zum Formen des Metallelements kann die folgende
Vorrichtung verwendet werden. Die Vorrichtung umfaßt eine
formgebende-Matrizen-Anordnung zum Anordnen eines zylindrischen
Metallelements mit einem Hohlraum in einem Matrizenhohlraum der
formgebenden-Matrizen-Anordnung;
eine Gasversorgungseinrichtung zum Zuführen eines unter Druck stehenden
Gases in den Hohlraum des Metallelements, welches in der formgebenden-Matrizen-Anordnung erhitzt
ist; und
eine Kühleinrichtung
zum Kühlen
der formgebenden Matrizenanordnung, welche zum Abschreck-Härten des
Metallelements konfiguriert ist, das in der formgebenden-Matrizen-Anordnung
angeordnet ist und plastisch verformt wird. Die Vorrichtung umfaßt weiterhin
eine Steuereinheit zum Steuern der Gasversorungseinrichtung, um
Ausbauchen und/oder Verformen des Metallelements zusammen mit dessen Abschreck-Härten auszuführen. Als
ein Gasversorgungsmittel kann eine Hochdruckgasversorgungsquelle
(oder Leitungssystem) verwendet werden, welche eine Druckbombe,
Ventil, Versorgungsleitungen etc. umfaßt.
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Die
Vorrichtung kann weiterhin eine Erhitzungseinrichtung zum selektiven
Erhitzen des in dem Matrizenhohlraum der formgebenden-Matrizen-Anordnung
angeordneten Metallelements umfassen. In diesem Fall können als
selektive Erhitzungseinrichtung Induktionsheizung oder Widerstandsheizung
für das
Metallelement verwendet werden.
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(1. Beispiel)
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Ein
erstes Beispiel der vorliegenden Erfindung wird nachstehend mit
Bezug auf 1 bis 3 erläutert. Dieses
Beispiel ist ein Beispiel für
die Anwendung einer Verstärkung
durch ein abschreck-härtendes
Verfahren, welches ein typisches abschreck-härtendes Verfahren ist, auf
ein Metallelement 1. Das in einem formgebenden Verfahren
dieses Beispiels verwendete Metallelement 1 weist eine zylindrische
(röhrenförmige) Form
mit einem Hohlraum 10 auf und ist aus einem Metall auf
Eisen-Basis hergestellt. Das Metall auf Eisen-Basis ist vor dem Härten in
einem Zustand hoher Spannung, d.h. ist in hochzugfesten Stahl umgewandelt
worden und ist, genau gesagt, aus einem Metall auf Eisen-Basis mit einer
Zugfestigkeit von nicht weniger als 600 MPa (= 60 kgf/m2)
hergestellt, so daß dessen
plastische Verformbarkeit nicht notwendigerweise genügend groß ist.
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Gemäß diesem
Beispiel werden, wie in 1 dargestellt, Öffnungen
an jedem Ende des die Form eines geraden Rohres aufweisenden Metallelements
erweitert, so daß ein
jeweiliger erweiterter Teil 12, welcher sich in Richtung
auf das Ende 12 ausdehnt, vorangehend ausgebildet wird.
Eine sich verjüngende
offene Wandfläche 13,
welche eine innere Wandfläche
des erweiterten Teils 12 ist, bildet eine Öffnung 13x,
welche in Verbindung mit dem Hohlraum 10 steht.
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Zunächst wird
das Metallelement 1 in einem Erhitzungsschritt in einer
Ofenkammer 20 eines Ofens 2 für eine vorbestimmte Zeit lang
gehalten und bis auf einen zum Abschreck-Härten geeigneten Temperaturbereich
erhitzt, d.h. einen Temperaturbereich von nicht weniger als dem
A1- Transformationspunkt.
In diesem Fall kann das Metallelement, falls nötig, bis auf einen Temperaturbereich
von nicht weniger als dem A3-Transformationspunkt
erhitzt werden. Dadurch wird die metallographische Struktur des
Metallelements 1 ganz oder partiell in einen Austenitzustand überführt. Da
die Ofenkammer 20 des Ofens 2 in einer nicht oxidierenden
Atmosphäre
gehalten wird, können
Oxidation und Entkohlung des Metallelements 1 unterdrückt werden.
Als die nichtoxidierende Atmosphäre
können
eine Vakuumatmosphäre,
eine reduzierende Atmosphäre,
eine Inertgasatmosphäre
von z.B. Argongas oder dergleichen den Umständen entsprechend verwendet
werden.
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Dann
wird das bis auf einen Zieltemperaturbereich erhitzte Metallelement 1 wie
oben beschrieben aus der Ofenkammer 20 entnommen, und,
wie in 2 dargestellt, in einer formgebenden Matrize 3 angeordnet.
Die formgebende Matrize 3 ist aus einem auf Stahl basierenden
Material hergestellt, d.h. einem der typischen metallischen Materialien,
und weist eine formgebende Fläche 31 auf,
welche so ausgebildet ist, daß sie
die Zielform auf zuweist. In diesem Fall wird vorzugsweise das Metallelement 1 zunächst derart
angeordnet, daß ein
verstärkungserfordernder
Bereich einer Wand des Metallelements 1 nicht in Kontakt
mit der formgebenden Fläche 31 der formgebenden
Matrize 3 gebracht wird. In der formgebenden Matrize 3 ist
ein Kühldurchgang 33 als eine
Kühleinrichtung
ausgebildet, durch welchen ein Kühlmittel
wie etwa Kühlwasser,
Kühlgas
oder dergleichen fließt.
Wenn ein Kühlmittel
wie etwa Kühlwasser,
Kühlgas
oder dergleichen durch den Kühldurchgang 33 fließt, wird
die formgebende Matrize 3 gekühlt und fähig, ein geformtes Produkt
des Metallelements 1 an der formgebenden Fläche (Matrizenhohlraumoberfläche) 31 der
formgebenden Matrize abzuschrecken. Vorzugsweise wird die formgebende Matrize 3 gekühlt, indem
ein Kühlmittel
wie etwa Kühlwasser,
Kühlgas
oder dergleichen vor oder während
(oder inmitten) des vorgenannten Erhitzungsschritts durch den Kühldurchgang 33 der
formgebenden Matrize 3 fließt.
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In
dem formgebenden und abschreckenden (abschreck-verstärkenden) Schritt dieses Beispiels wird,
wie in 2 gezeigt, ein Satz von zwei Dichtungen 40, 41 mit
je einer Dichtungsfläche 44 mit
einer Schräge
verwendet, welche der der sich verjüngenden offenen Wandfläche 13 des
erweiterten Teils 12 des Metallelements 1 entspricht.
Die Dichtungen 40, 41 können aus Metall oder einem
feuerfesten Material hergestellt sein. Die eine Dichtung 40 weist
einen Durchgang 40a auf, welcher mit einer Hochdruckgasversorgungsquelle 5 zu
verbinden ist. Die andere Dichtung 41 hat eine Dichtungsfunktion,
wird aber nie mit der Hochdruckgasversorgungsquelle 5 verbunden.
Die Hochdruckgasversorgungsquelle 5 wird zum Zuführen von
unter Hochdruck stehendem Gas verwendet, und umfaßt Druckbombe 50 mit
darin eingeschlossenem, unter Hochdruck stehendem Gas, Ventil 52 mit
einem öffnenden/schließenden Ventil 51 zum Öffnen und
Schließen
der Druckbombe 50, Druckanzeige 53, welche als
Druckerfassungsmittel zum Erfassen des Drucks des in der Druckbombe 50 eingeschlossenen
Gases fungiert, und biegsame Versorgungsleitung 54, welche
als ein Versorgungsdurchgang des aus dem Ventil 52 austretenden
Gases fungiert.
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Dann
werden, wie in 2 dargestellt, die Dichtungen 40, 41 jesweils
in den Öffnungen 13,
welche an beiden Enden des Metallelements 1 angeordnet
sind, befestigt, und eine Abdichtung wird dadurch erreicht, daß die Dichtungsfläche 44,
direkt oder indirekt durch ein nicht dargestelltes Zwischenelement, auf
der sich verjüngenden
offenen Wandfläche 13 des
erweiterten Teils 12 des Metallelements 1 angebracht
wird. In diesem Fall liegt ein Leerraum W zwischen der Wand 1a des
Metallelements 1 und der formgebenden Fläche 31.
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Im
formgebenden und abschreckenden (abschreck-verstärkenden) Schritt dieses Beispiels
wird unter Hochdruck stehendes Gas (von z.B. 20 MPa) von der Hochdruckgasversorgungsquelle 5 in
den Hohlraum 10 des Metallelements 1 zugeführt, wobei der
Zustand der Abdichtung der Dichtungen 40, 41 an
der sich verjüngenden
offenen Wandfläche 13 des erweiterten
Teils 12 des Metallelements 1 wie oben beschrieben
beibehalten wird. Konkreter erklärt
wird das öffnende/schließende Ventil 51 der
Hochdruckgasversorgungsquelle 5 geöffnet, damit ein unter Hochdruck
stehendes, in der Druckbombe 50 der Hochdruckgasversorgungsquelle 5 enthaltenes
Gas durch die Versorgungsleitung 54 und durch den durch
die eine Dichtung 40 hindurch ausgebildeten Durchgang 40a in
den Hohlraum 10 des Metallelements 1 zugeführt wird.
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Dadurch
wird der Innendruck des im Hohlraum 10 des Metallelements 1 enthaltenen
Gases erhöht,
um die Wand 1a des Metallelements 1 nach außen in radialer
Richtung auszubauchen und/oder zu verformen. Folglich wird die Wand 1a in
innigen Kontakt mit der formgebenden Fläche 31 der formgebenden
Matrize 3 gebracht. Dadurch wird die Wand 1a entlang
eines Profils der formgebenden Fläche 31 wie in 3 dargestellt
verformt. Zusätzlich
wird die Wand 1a durch die formgebende Fläche 31 der
formgebenden Matrize 3 gleichzeitig mit der Verformung abgeschreckt,
so daß die
Wand 1a gehärtet
wird.
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Vorzugsweise
läßt man ein
Kühlmittel
wie etwa Kühlwasser,
Kühlgas
oder dergleichen durch einen durch die formgebende Matrize 3 hindurch
ausgebildeten Kühldurchgang 33 fließen und
kühlt die formgebende
Matrize 3 direkt vor oder während (oder inmitten von) dem
formgebenden und abschreckenden (abschreck-verstärkenden) Schritt dieses Beispiels,
um die Härtungseigenschaft
zu verbessern.
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Hinsichtlich
des Gases, welches in den Hohlraum 10 des Metallelements 1 zuzuführen ist,
kann je nach Umständen
wenigstens eines aus der Gruppe bestehend aus Luft, Stickstoffgas,
stickstoffreichem Gas, Argongas und argonreichem Gas verwendet werden.
Im Hinblick auf eine Kostensenkung kann Luft verwendet werden. Berücksichtigt
man eine Unterdrückung
der Oxidation, so können
Stickstoffgas, stickstoffreiches Gas, Argongas oder argonreiches Gas
verwendet werden, von welchen jedes geringes oder keinerlei Oxidationsvermögen aufweist.
Nach Beenden der Verformung und der Härtung des Metallelements 1 wie
oben beschrieben, wird Metallelement 1 von den Dichtungen 40, 41 und
aus der formgebenden Matrize 3 entfernt.
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Wie
oben beschrieben, wird das Metallelement 1 gemäß diesem
Beispiel im Verlaufe der Formung/Ausbauchung bis auf einen gewissen
Temperaturbereich erhitzt. Demgemäß kann die plastische Verformbarkeit
des Metallelements 1 sogar dann verbessert werden kann,
wenn das Metallelement 1 aus einem metallischen Material
hoher Spannung und geringer plastischer Verformbarkeit zusammengesetzt
ist. Als Folge daraus können
plastische Verformbarkeit und demgemäß Formbarkeit des Metallelements 1 verbessert
werden.
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Weiterhin
wird gemäß diesem
Beispiel die ausgebauchte und verformte Wand 1a des Metallelements 1 in
innigen Kontakt mit der formgebenden Fläche 31 der formgebenden
Matrize 3 gebracht. Folglich kann Abführen von Hitze von und dadurch Härten der
Wand 1a des Metallelements 1 verwirklicht werden.
Demzufolge kann die Wand 1a des Metallelements 1 verstärkt werden.
Dadurch können, wie
oben beschrieben, gemäß dem in
diesem Beispiel angewandten Verfahren gleichzeitig eine Verbesserung
der Verformbarkeit der Wand 1a des Metallelements 1 und
bedeutende Verstärkung
desselben erreicht werden.
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Gemäß diesem
Beispiel, in dem das Metallelement 1 in obig offenbarter
Weise verstärkt
werden kann, kann trotz Verwendung des Metallelements 1, welches
aus einem Metall auf Eisen-Basis mit einer Zugfestigkeit vor Härtung von
nicht weniger als 600 MPa (= 60 kgf/mm2)
hergestellt ist, das das Metallelement 1 bildende Metall
auf Eisen-Basis verstärkt werden,
so daß es
eine Zugfestigkeit von nicht weniger als 1000 MPa (= 100 kgf/mm2) oder von nicht weniger als 1200 MPa oder
von nicht weniger als 1500 MPa, je nach Fall, aufweist.
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Gemäß diesem
Beispiel wird, wie zuvor beschrieben, in dem formgebenden und abschreckenden
(abschreck-verstärkenden)
Schritt die Wand 1a des Metallelements 1 gehärtet und
verstärkt,
indem die ausgebauchte und verformte Wand 1a des Metallelements 1 in
innigen Kontakt mit der formgebenden Fläche 31 der formgebenden
Matrize 3 gebracht wird. Es kann, wenn die Erhitzungstemperatur
des Metallelements 1 und das Kühlvermögen der formgebenden Fläche 31 der
formgebenden Matrize 3 in geeigneter Weise gesteuert werden,
bezüglich
der Dickenrichtung der Wand 1a des Metallelements 1 eine Kühlgeschwindigkeit
von einer Oberflächenschicht 1c (äußere Oberflächenschicht),
die der formgebenden Fläche 31 der
formgebenden Matrize 3 gegenüberliegt und in innigem Kontakt
mit derselben steht, größer gemacht
werden als die der anderen Oberflächenschicht 1d (innere
Oberflächenschicht),
die von der formgebenden Fläche 31 der
formgebenden Matrize 3 weg weisend liegt.
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Mit
anderen Worten kann im Hinblick auf die Dickenrichtung der Wand 1a des
Metallelements 1 die Kühlgeschwindigkeit der
Oberflächenschicht 1d (innere
Oberflächenschicht)
kleiner als die der Oberflächenschicht 1c (äußere Oberflächenschicht)
gemacht werden. Folglich kann bezüglich der Dickenrichtung der
Wand 1a des Metallelements 1 eine Härtungseigenschaft
der Oberflächenschicht 1c (äußere Oberflächenschicht)
verstärkt
werden, um diesen Bereich bedeutend zu verstärken, und eine Härtungseigenschaft
der Oberflächenschicht 1d (innere
Oberflächenschicht)
kann auch unterdrückt
werden, um die Zähigkeit
(toughness) dieses Bereichs sicherzustellen. In der Dickenrichtung
der Wand 1a des Metallelements 1 kann nämlich das
Ausmaß der
Härtung
und Verstärkung
verändert
werden, und auch eine Bewirkung der Zunahme von sowohl Stärke als auch
Schlagbiegefestigkeit des Metallelements 1 kann erwartet
werden.
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Zusätzlich wird
gemäß diesem
Beispiel die Abdichtung der Öffnung 13x des
Metallelements 1 ausgeführt
unter Verwendung von: den Dichtungen 40, 41, die
jeweils Dichtungsfläche 44 mit
einer Schräge
aufweisen, die der der sich verjüngenden
offenen Wandfläche 13 des
erweiterten Teils 12 des Metallelements 1 entspricht;
und Pressen der Dichtungen 40, 41 an die sich
verjüngende
offene Wandfläche 13 des
erweiterten Teils 12 des Metallelements 1. Folglich
kann eine gute abdichtende Eigenschaft eines Grenzbereichs zwischen
dem Metallelement 1 und den Dichtungen 40, 41 sichergestellt
werden. Folglich kann eine Überführung des
Hohlraums 10 des Metallelements 1 in einen Hochdruckzustand
effektiv erreicht werden. Daher kann die Ausbauchungs- und/oder
Verformungsfähigkeit
der Wand 1a des Metallelements 1 verbessert werden.
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Gemäß diesem
Beispiel kann der erweiterte Teil 12, wenn der erweiterte,
an jedem der Enden des Metallelements 1 angeordnete Teil 12 nach
Härten unnötig ist,
durch Abschneiden entfernt werden. Oder andernfalls kann der erweiterte
Teil 12 so belassen werden, wie er ist, wenn er notwendig
ist.
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(2. Beispiel)
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Ein
zweites Beispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden mit
Bezug auf 4 und 5 konkret
erläutert.
Aufbau, Arbeit und Effekt dieses Beispiels sind im wesentlichen
die gleichen wie die des ersten Beispiels. Eine Erklärung dieses
Beispiels wird mit Schwerpunkt auf dem Unterschied zum ersten Beispiel
wie folgt gegeben. Dieses Beispiel ist ein Beispiel für die Anwendung
einer Verstärkung
durch ein härtendes
Verfahren, welches ein typisches abschreckendes (abschreck-verstärkendes) Verfahren
ist, auf ein Metallelement 1, auf die gleiche Art wie im
ersten Beispiel offenbart. Das in einem formgebenden Verfahren dieses
Beispiels verwendete Metallelement hat eine zylindrische Form mit
einem Hohlraum 10 und ist aus einem härtungsgeeigneten Metall auf
Eisen-Basis hergestellt. Das Metall auf Eisen-Basis ist hergestellt,
eine hohe Spannung aufzuweisen, d.h. zum bedeutenden Verstärken in hochfesten
Stahl umgewandelt zu werden, so daß seine plastische Verformbarkeit
nicht notwendigerweise genügend
ist.
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Zunächst wird
in einem Erhitzungsschritt das Metallelement 1 in einer
formgebenden Matrize 3 so angeordnet, daß eine wand 1a des
Metallelements 1 einer formgebenden Fläche 31 der formgebenden Matrize 3 gegenüberliegt.
In diesem Fall wird das Metallelement 1 vorzugsweise so
angeordnet, daß ein verstärkungserfordernder
Teil der Wand 1a des Metallelements 1 nicht in
Kontakt mit der formgebenden Fläche 31 der
formgebenden Matrize 3 kommt. Dann wird, wie in 4 dargestellt,
ein elektrisch leitfähiges,
spulenförmiges
Element 6 zum Induktionserhitzen in dem Hohlraum 10 des
Metallelements 1 angeordnet. Und zwar ist das leitfähige Element 6 zum
Induktionserhitzen derart ausgebildet, daß es mit dem der formgebenden
Fläche 31 der
formgebenden Matrize 3 gegenüberliegenden Metallelement 1 schließt. In diesem
Erhitzungsschritt werden die formgebende Matrize 3 und
das Metallelement 1 vorzugsweise in einem Zustand belassen,
in dem sie keinen Kontakt miteinander haben, um zu vermeiden, daß eine Temperatur
der formgebenden Matrize 3 erhöht wird und auch die Temperatur
des Metallelements 1 verringert wird.
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Wie
oben beschrieben wird Metallelement 1 induktionserhitzt,
indem ein Hochfrequenz-Wechselstrom an das leitfähige Element 6 angelegt
wird, während
das leitfähige
Element 6 zum Induktionserhitzen nahe dem Metallelement 1 in
dem Hohlraum 10 des Metallelements 1 angeordnet
ist. Der Wechselstrom zur Zufuhr elektrischer Energie zum leitfähigen Element 6 (zum
elektrischen Erregen des leitfähigen Elements 6)
sollte Frequenz- und Stromwerte aufweisen, die zum Induktionserhitzen
eines verstärkungserfordernden
Teils in der Wand 1a des Metallelements 1 bis
auf einen Temperaturbereich von nicht weniger als dem A1- oder A3-
Transformationspunkt geeignet sind. Im Fall des Induktionserhitzens
der Wand 1a des Metallelements 1 durch Anlegen
eines Hochfrequenz-Wechselstroms
an das leitfähige
Element 6 auf diese Art kann eine Oberflächenschicht der
Wand 1a des Metallelements 1 effizient erhitzt werden,
da ein Naheffekt, welcher zum effizienten Erhitzen der nahe dem
elektrisch leitfähigen
Element in dem Metallelement liegenden Oberflächenschicht geeignet ist, und
auch ein Hauteffekt, welcher durch das Durchfließen von elektrischem Strom
durch die Oberflächenschicht
des Metallelements entsteht, erwartet werden können. Als eine Folge solchen
Induktionserhitzens wird die gesamte oder teilweise metallographische
Struktur des Metallelements 1 innerhalb kurzer Zeit in
einen Austenitzustand überführt.
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Gemäß diesem
Beispiel wird die Erhöhung einer
Temperatur der formgebenden Fläche 31 der formgebenden
Matrize 3 im Erhitzungsschritt zum Induktionserhitzen des
Metallelements 1 unterdrückt, so daß ein wärmeisolierendes Element 9 zwischen der
formgebenden Fläche 31 der
formgebenden Matrize 3 und dem Metallelement 1,
wie in 4 dargestellt, angeordnet werden kann, falls nötig. Das
wärmeisolierende
Element 9 weist vorzugsweise gute thermisch isolierende
Eigenschaften und auch gute magnetflußabschirmende Eigenschaften
auf. Vorzugsweise wird ein Kühlmittel,
wie etwa Kühlwasser, Kühlgas oder
dergleichen durch einen Kühldurchgang 33 der
formgebenden Matrize 3 fließen gelassen und die formgebende
Matrize 3 dadurch vor oder inmitten des oben beschriebenen
Erhitzungsschritts gekühlt.
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Dann
wird nach Beenden des Erhitzungsschritts im Fall der Verwendung
des wärmeisolierenden
Elements 9 das wärmeisolierende
Element 9 von der formgebenden Matrize 3 entfernt.
Nach Vollendung des obig beschriebenen Erhitzungsschritts wird ein
formgebender und abschreckender (abschreck-verstärkender) Schritt ausgeführt. Und
zwar wird die formgebende Fläche 31 der
formgebenden Matrize 3 nahe dem Metallelement 1 angeordnet.
In diesem Fall liegt, wie in 5 dargestellt,
ein Leerraum W zwischen der Wand 1a des Metallelements 1 und
der formgebenden Fläche 31.
Weiterhin wird auf die gleiche Weise wie im ersten Beispiel, wie
in 5 dargestellt, unter Verwendung von Dichtungen 40, 41,
die jeweils eine der der sich verjüngenden offenen Wandfläche 13 des
Metallelements 1 entsprechende Schräge aufweisen, eine Abdichtung
ausgeführt,
indem die Dichtungen 40, 41, direkt oder indirekt
durch ein Zwischenelement, auf der sich verjüngenden offenen Wandfläche 13 des
Metallelements angebracht werden.
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Unter
Beibehaltung eines Abdichtungszustandes durch Anbringen der Dichtungen
(Dichtungselemente) 40, 41 auf der sich verjüngenden
offenen Wandfläche 13 des
erweiterten Teils 12 des Metallelements 1 in obig
beschriebener Weise wird unter Hochdruck stehendes Gas, welches
in einer Druckbombe 50 einer Hochdruckgasversorgung 5 enthalten
ist, durch Versorgungsleitung 54 und Durchgang 40a der
Dichtung 40 in den Hohlraum 10 des Metallelements 1 zugeführt, indem
ein öffnendes/schließendes Ventil 51 geöffnet wird.
Als Folge davon wird der Innendruck des in dem Hohlraum 10 des
Metallelements 1 enthaltenen Gases erhöht, und folglich wird die Wand 1a des
Metallelements 1 ausgebaucht und in ihrer radialen Richtung
verformt, um in innigen Kontakt mit der formgebenden Fläche 31 der
formgebenden Matrize 3 zu gelangen. Dadurch wird die Wand 1a des
Metallelements 1 entlang der formgebenden Fläche 31 der
formgebenden Matrize 3 verformt, um einen formgebenden
und abschreckenden (abschreck-verstärkenden) Schritt zu vollenden.
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Vorzugsweise
wird die formgebende Matrize 3 gekühlt, indem ein Kühlmittel
wie etwa Kühlwasser, Kühlgas oder
dergleichen durch den Kühldurchgang 33 der
formgebenden Matrize 3 vor oder inmitten des formgebenden
und abschreckenden (abschreck-verstärkenden) Schritts dieses Beispiels
fließt,
um eine Härtungseigenschaft
zu verbessern.
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Wie
oben erklärt,
ist gemäß diesem
Beispiel das Metallelement 1 aus einem Metall auf Eisen-Basis
hergestellt, welches wegen der Umwandlung in einen Hochspannungszustand
(oder hochfesten Stahl) nicht notwendigerweise genügende plastische Verformbarkeit
aufweist. Das Metallelement 1 wird jedoch im Verlauf der
Verformung durch Ausbauchung bis auf einen Temperaturbereich erhitzt,
so daß die plastische Verformbarkeit
des Metallelements 1 verbessert werden kann, und so daß Ausbauchungs- und/oder
Verformungsfähigkeit
und demgemäß Formbarkeit
des Metallelements 1 verbessert werden können.
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Weiterhin
wird gemäß diesem
Beispiel die Wand 1a des Metallelements 1, das
auf nicht weniger als die Härtungstemperatur
induktionserhitzt ist, ausgebaucht und/oder verformt, um in dem
formgebenden und abschreckenden (abschreck-verstärkenden) Schritt in Kontakt
mit der formgebenden Fläche 31 der
formgebenden Matrize 3 gebracht zu werden. Als Folge davon
kann die Wand 1a des Metallelements 1 gehärtet werden.
Demgemäß kann das
Metallelement 1 verstärkt
werden. Folglich können
in diesem Beispiel in gleicher Weise wie im ersten Beispiel gleichzeitig
sowohl Formbarkeit der Wand 1a des Metallelements 1 als
auch bedeutende Verstärkung derselben
erreicht werden.
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Außerdem wird
das Induktionserhitzen des Metallelements 1 durch Anlegen
eines Hochfrequenz-Wechselstroms an das leitfähige Element 6 ausgeführt, während das
leitfähige
Element zum Induktionserhitzen nahe der Wand 1a des der
formgebenden Fläche 31 der
formgebenden Matrize 3 gegenüberliegenden Metallelements 1 angeordnet
ist. Demgemäß kann die
Wand 1a des Metallelements 1 ausgebaucht und/oder
verformt werden, um durch Öffnen
eines öffnenden/schließenden Ventils 51 einer
Ventilsteuereinheit 52, unmittelbar nach Erhitzen der Wand 1a des
Metallelements 1 bis auf einen Zieltemperaturbereich, und
Zuführen
von unter Hochdruck stehendem, in der Druckbombe 50 der
Hochdruckgasversorgung 5 enthaltenem Gas in den Hohlraum 10 des
Metallelements 1 geformt zu werden. Folglich kann ein Schritt
eliminiert werden, bei dem das auf einen Zieltemperaturbereich erhitzte
Metallelement 1 aus einem Ofen 2 genommen und
dann in die formgebende Matrize 3 gebracht wird, und ein Absinken
einer Temperatur des Metallelements kann unterdrückt werden. Dadurch kann die
Temperatur der Wand 1a des Metallelements 1 unmittelbar
vor dem Schritt des Formens und Härtens des Metallelements 1 so
hoch wie möglich
gehalten werden, so daß sowohl
Formen als auch Härten
des Metallelements 1 gut ausgeführt werden können. Die
Ventilsteuereinheit 52 steuert den Gasdruck und die zeitliche
Abstimmung von Öffnen/Schließen des
Ventils 51. Die Ventilsteuereinheit 52 arbeitet
in Kooperation mit oder unter Steuerung einer zentralen Steuereinheit
(nicht dargestellt) zum Steuern des gesamten Prozesses des Formungsverfahrens
einschließlich Schließungs/Öffnungsbewegung
der Matrizen-Anordnung, elektrischen Erregens der Erhitzungsmittel (d.h.
Bereitstellen elektrischen Stroms), Bereitstellen von Kühlmedium,
Anordnen/Entfernen des Metallelements, und Einführen/Herausziehen eines Isolators, Steuerung
der Temperatur der betreffenden Bereiche, etc.
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Zusätzlich kann
gemäß diesem
Beispiel durch die formgebende Fläche 31 der formgebenden Matrize 3 Härtungsverstärkung zu
der Zeit ausgeführt
werden, an der die Wand 1a des Metallelements 1 in
Kontakt mit der formgebenden Fläche 31 der formgebenden
Matrize 3 kommt.
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In
diesem Beispiel wird durch Anbringen der Dichtungen 40, 41 auf
der sich verjüngenden
offenen (z.B. konischen) Wandfläche 13 des
Metallelements 1 eine Abdichtung nach Ausführen des
Erhitzungsschritts zum Erhitzen des Metallelements 1 ausgeführt. Die
Abdichtung ist jedoch nicht auf diese Art beschränkt, und die Dichtungen 40, 41 können inmitten von
oder vor dem Erhitzungsschritt zum Erhitzen des Metallelements 1 auf
der sich verjüngenden
offenen Wandfläche 13 des
Metallelements 1 angebracht werden.
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(3. Beispiel)
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Ein
drittes Beispiel der vorliegenden Erfindung wird konkret wie folgt
mit Bezug auf 6 und 7 dargestellt.
Im wesentlichen werden in diesem Beispiel gleicher Aufbau, Arbeit
und Effekt wie im zweiten Beispiel verwendet. Dieses Beispiel wird nachstehend
mit Schwerpunkt auf dem Unterschied zum zweiten Beispiel erklärt. In einem
Erhitzungsschritt wird ein Metallelement 1 in den Matrizenhohlraum
einer formgebenden Matrize 3 angeordnet, so daß eine Wand 1a des
Metallelements 1 einer formgebenden Fläche der formgebenden Matrize 3 gegenüberliegt.
In diesem Fall wird das Metallelement 1 vorzugsweise derart
angeordnet, daß ein
verstärkungserfordernder
Teil des Metallelements 1 nicht in Kontakt mit der formgebenden
Fläche 13 der
formgebenden Matrize 3 kommt.
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Dann
wird das Metallelement 1 durch Widerstandserhitzen bis
auf einen Temperaturbereich von nicht weniger als dem A1- oder A3-
Transformationspunkt erhitzt. Und zwar werden, wie in 6 dargestellt,
Anschlüsse 7 mit
einem erweiterten Teil 12, d.h. einem Randbereich des Metallelements 1,
welches der formgebenden Fläche 13 der
formgebenden Matrize 3 gegenüberliegt, verbunden und unter
Beibehaltung dieses Zustands wird die Wand 1a des Metallelements 1 bis
auf einen Temperaturbereich von nicht weniger als dem A1- oder A3-Transformationspunkt
durch Joulewärme
mittels Zufuhr elektrischer Energie zum Metallelement 1 (elektrischen
Erregens des Metallelements 1) von den Anschlüssen 7 erhitzt. Der
jeweilige Anschluß kann
aus einem gut elektrisch leitfähigen
Metall hergestellt sein, wie etwa einem Metall auf Kupfer-Basis,
Aluminium-Basis, Titan-Basis oder Eisen-Basis, oder dergleichen. Ein elektrischer
Strom zur Zufuhr elektrischer Energie zum Metallelement 1 (zum
elektrischen Erregen des Metallelements 1) von den Anschlüssen 7 kann
Gleichstrom oder Wechselstrom sein.
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In
dem Fall, wo das Metallelement 1 durch Anlegen eines Wechselstroms
durch die Anschlüsse 7 elektrisch
erregt wird, kann dessen Frequenz je nach Umständen in einem niedrigen, mittleren
oder hohen Frequenzbereich liegen. In dem Fall, wo das Metallelement 1 durch
Anlegen eines Hochfrequenzwechselstroms durch die Anschlüsse 7 elektrisch
erregt wird, kann eine Oberflächenschicht
der Wand 1a des Metallelements 1 effizient erhitzt
werden, da ein Hauteffekt, welcher durch das Durchfließen eines elektrischen
Stroms durch die Oberflächenschicht des
Metallelements 1 entsteht, erwartet werden kann.
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Auch
in diesem Beispiel werden in einem formgebenden und abschreck-härtenden
Schritt, wie in 7 dargestellt, Dichtungen 40, 41 verwendet, welche
jeweils eine Schräge
aufweisen, die der einer sich verjüngenden offenen Wandfläche 13 eines
erweiterten Teils 12 des Metallelements 1 entspricht. Dann
wird durch Anbringen der Dichtungen 40, 41 auf
der sich verjüngenden
offenen Wandfläche 13 des
erweiterten Teils 12 des Metallelements eine Abdichtung
direkt oder indirekt durch ein Zwischenelement ausgeführt. Unter
Beibehaltung eines Dichtungszustands durch Anbringen der Dichtungen 40, 41 auf
der sich verjüngenden
offenen Wandfläche 13 des
Metallelements 1 auf diese Art wird e in öffnendes/schließendes Ventil 51 geöffnet, um
unter Hochdruck stehendes, in einer Druckbombe 50 einer Hochdruckgasversorgung 5 enthaltenes
Gas durch Versorgungsleitung 54 und Durchgang 40a,
welcher durch die Dichtung 40 hindurch ausgebildet ist,
in einen Hohlraum 10 des Metallelements 1 zuzuführen. Demgemäß wird der
Innendruck des in dem Hohlraum 10 des Metallelements 1 enthaltenen
Gases erhöht,
und die Wand 1a des Metallelements 1 wird ausgebaucht
und radial verformt, um in innigen Kontakt mit der formgebenden
Fläche 31 der formgebenden
Matrize 3 zu gelangen. Folglich wird die Wand 1a des
Metallelements 1 entlang (und entsprechend einem inneren
Profil von) der formgebenden Matrize 31 verformt.
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Wie
oben erklärt,
wird gemäß diesem
Beispiel das Metallelement 1 im Verlaufe der Verformung durch
Ausbauchen in gleicher Weise wie in Beispiel 1 und 2 bis auf einen
Hochtemperaturbereich erhitzt, die plastische Verformbarkeit des
Metallelements 1 kann verbessert werden, und Ausbauchungs-/Verformungsfähigkeit
und Formbarkeit des Metallelements 1 können selbst in dem Fall verbessert
werden, in dem das Metallelement 1 aus einem Metall auf
Eisen-Basis hergestellt ist, welches in einen Hochspannungszustand überführt wurde.
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Weiterhin
kann gemäß diesem
Beispiel die Wand 1a des Metallelements 1 durch
Verformen/Ausbauchen der Wand 1a des Metallelements 1,
welches bis auf eine Härtungstemperatur
oder höher
induktionserhitzt ist, um in innigen Kontakt mit der formgebenden
Fläche 31 der
formgebenden Matrize 3 zu gelangen, gehärtet und dadurch verstärkt werden.
Folglich können
gemäß diesem
Beispiel sowohl Formbarkeit der Wand 1a des Metallelements 1 und bedeutende
Stärkung
derselben erreicht werden.
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Außerdem wird
gemäß diesem
Beispiel das Metallelement 1 durch Zufuhr von elektrischer
Energie (elektrisches Erregen) von den Anschlüssen 7 erhitzt, während die
Anschlüsse 7 mit
dem der formgebenden Fläche 31 der
formgebenden Matrize 3 gegenüberliegenden Metallelement 1 verbunden
sind. Demgemäß kann die
Wand 1a des Metallelements 1 ausgebaucht und verformt
werden, indem unter Hochdruck stehendes Gas unmittelbar nach Erhitzen der
Wand 1a des Metallelements 1 in den Hohlraum 10 des
Metallelements 1 zugeführt
wird. Folglich kann ein Schritt weggelassen werden, bei dem das bis
auf einen Zieltemperaturbereich erhitzte Metallelement 1 aus
einem Ofen 2 genommen wird, und das herausgenommene Metallelement
zur formgebenden Matrize 3 getragen wird, und es kann ein
Absinken der Temperatur des Metallelements 1 unterdrückt werden.
Dadurch kann eine Temperatur des Metallelements 1 in einem
Zustand unmittelbar vor den formgebenden und härtenden Schritten des Metallelements 1 hoch
gehalten werden. Dadurch können
sowohl Formung als auch Härten
des Metallelements 1 gut ausgeführt werden, während ein
Temperaturabfall des erhitzten Metallelements 1 unterdrückt wird.
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Außerdem kann
gemäß diesem
Beispiel, um einen Temperaturanstieg der formgebenden Fläche 31 der
formgebenden Matrize 3 in dem Erhitzungsschritt zu vermeiden,
ein wärmeisolierendes
Element 9 zwischen der formgebenden Fläche 31 der formgebenden
Matrize 3 und dem Metallelement 1, wie in 6 dargestellt,
je nach Bedarf angeordnet werden. Ein bevorzugtes wärmeisolierendes
Element 9 ist ein solches, das gute thermische Isolierung
und magnetflußabschirmende
Eigenschaften bereitstellt.
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(4. Beispiel)
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Ein
viertes Beispiel der vorliegenden Erfindung wird nachstehend konkret
mit Bezug auf 8 und 9 erklärt. Aufbau,
Funktion und Effekt dieses Beispiels sind im wesentlichen die gleichen
wie die des zweiten Beispiels. Dieses Beispiel wird wie folgt mit
Schwerpunkt auf dem Unterschied zum zweiten Beispiel dargestellt.
Auch in diesem Beispiel wird ein Metallelement 1 vorzugsweise
so angeordnet, daß in einem
Erhitzungsschritt ein verstärkungserfordernder
Teil eines Metallelements 1 nicht in Kontakt mit einer
formgebenden Fläche 31 einer
formgebenden Matrize 3 gelangt. In diesem Fall liegt eine Wand 1a des
Metallelements 1 der formgebenden Fläche 31 der formgebenden
Matrize 3 gegenüber.
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Auch
in diesem Beispiel wird das Metallelement 1 durch Widerstandserhitzen
bis auf einen Temperaturbereich von nicht weniger als dem A1- oder A3-Transformationspunkt
erhitzt. Und zwar werden, wie in 8 dargestellt,
Anschlüsse 7 mit
einem erweiterten (z.B. sich verjüngenden oder konischen) Teil 12,
d.h. einem Randbereich des Metallelements 1, welches der
formgebenden Fläche 31 der
formgebenden Matrize 3 gegenüberliegt, verbunden, und unter
Beibehaltung dieses Zustands wird die Wand 1a des Metallelements 1 durch
Joulewärme
durch Zufuhr von elektrischer Energie zum Metallelement 1 (elektrisches
Erregen des Metallelements 1) von den Anschlüssen 7 erhitzt.
Weiterhin wird ein elektrisch leitfähiges Element 6 zum
Induktionserhitzen in einem Hohlraum 10 des Metallelements 1 angeordnet und
dann ein Hochfrequenzwechselstrom an das leitfähige Element 6 angelegt.
Dadurch wird die Wand 1a des Metallelements 1 induktionserhitzt.
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Auf
diese Art werden Widerstandserhitzung durch Zufuhr von elektrischer
Energie (elektrisches Erregen) unter Verwendung der Anschlüsse 7 und
Induktionserhitzen unter Verwendung des elektrisch leitfähigen Elements 6 zum
Induktionserhitzen in Kombination zum Erhitzen des Metallelements 1 gemäß diesem
Beispiel angewandt, so daß das
Metallelement 1 effizient erhitzt werden kann. Insbesondere
ist das leitfähige
Element 6 zum Induktionserhitzen nahe einem Teil angeordnet,
welcher den höchsten Grad
an Verformung erfordert oder einem Teil, welcher am meisten Verstärkung durch
Härtung
der Wand 1a des Metallelements 1 bedarf, so daß jeglicher
Teil effizient bis auf einen Temperaturbereich erhitzt werden kann,
und so daß plastische
Verformbarkeit und Härtungseigenschaft
des Teils verbessert werden können.
Wie aus 9 ersichtlich, wird der formgebende/abschreck-härtende Schritt
im vorliegenden Beispiel gleich dem im zweiten Beispiel ausgeführt.
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(Angewandtes Beispiel)
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10 stellt
ein angewandtes Beispiel der vorliegenden Erfindung dar. In diesem
angewandten Beispiel 1 wird ein Metallelement 1B von gerade-röhrenförmiger Form
verwendet. Auf das Metallelement 1B von gerade-röhrenförmiger Form
werden Erhitzungsschritt und formgebender und abschreckender (abschreck-verstärkender)
Schritt angewandt, welche die gleichen sind wie die eines jeden
obig beschriebenen Beispiels. 11 stellt
ein angewandtes Beispiel 2 der Erfindung dar. In diesem angewandten Beispiel
2 wird ein röhrenförmiges Metallelement 1C verwendet,
welches aus der vorangehenden Formung eines (kurbelähnlichen)
gebogenen Teils 1s, z.B. durch mechanisches Preßarbeiten,
resultiert. Weiterhin ist in diesem Metallelement 1C eine
Rille 1s durch Ausstanzen etc. geformt. Dann wird auf das gerillte
Metallelement 1C ein Erhitzungsschritt und formgebender
und abschreckender (abschreck-verstärkender) Schritt im wesentlichen
gemäß jeglichem der
voranstehenden Beispiele angewandt. In der vorliegenden Erfindung
kann ein Metallelement 1 angewandt werden, um einen Balken
zur Verwendung in einem Fahrzeugsuspensionsmechanismus, ein Suspensionselement,
oder eine an einer Stoßstange
anzubringende Stoßstangenverstärkung auszubilden. Andernfalls
kann es auch angewandt werden auf eine zentrale Säule, die
zwischen Vorder- und Rücksitzen
eines Fahrzeugs angeordnet ist, oder eine zentrale Säulenverstärkung, die
an eine zentrale Säule
zum Verstärken
derselben anzubringen ist. Es ist zu beachten, daß das ausbauchende-/abschreck-härtende Verfahren
am besten als ein einheitliches Verfahren für das Formungs-/Verstärkungsstadium
geeignet ist.
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(Andere)
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Gemäß dem oben
beschriebenen ersten Beispiel wird an beiden Enden des Metallelements 1 ein
erweiterter Teil 12 ausgebildet. Jedoch können die
Dichtungen 40, 41 an den beiden Enden des Metallelements 1 auch
ohne Ausbildung des erweiterten Teils 12 angebracht werden.
Weiterhin braucht der erweiterte Teil 12 des Metallelements 1 nicht
vor Erhitzen ausgebildet zu werden und kann gleichzeitig mit dem
Abdichten nach Erhitzen ausgebildet werden. Eine Dichtungsfläche 44 der
Dichtungen 40, 41 weist eine Schräge von konischer
Oberflächenform gemäß dem oben
beschriebenen ersten Beispiel auf, ist aber nicht auf diesen Typ
beschränkt
und kann gerade-zylindrisch sein.
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Gemäß dem ersten
Beispiel weist eine Dichtung 40 einen Durchgang 40a auf,
welcher mit einer Hochdruckgasversorgung 5 zu verbinden
ist, während
die andere Dichtung 41 Dichtungsfunktion hat und nicht
mit der Hochdruckgasversorgung 5 verbunden ist. Dies ist
nicht einschränkend,
und auch in der anderen Dichtung 40 kann ein mit der Hochdruckgasversorgung 5 zu
verbindender Durchgang ausgebildet sein. In diesem Fall wird von
beiden Enden des Metallelements 1 her unter Hochdruck stehendes Gas
zugeführt.
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Weiterhin
umfaßt
die Hochdruckgasversorgung 5 gemäß dem ersten Beispiel: Druckbombe 50 mit
darin eingeschlossenem, unter Hochdruck stehendem Gas, sowie Ventilsteuereinheit 52 mit
einem öffnenden/schließenden Ventil 51 zum Öffnen und Schließen der
Druckbombe 50, Druckanzeige 53, welche als Druckerfassungsmittel
zum Erfassen des Drucks des in der Druckbombe 50 eingeschlossenen Gases
fungiert, und biegsame Versorgungsleitung 54, welche als
ein Versorgungsdurchgang für
aus der Ventilsteuereinheit 52 austretendes Gas fungiert. Dies
ist jedoch nicht einschränkend,
und es kann sofortiges Ausbauchen und/oder Verformen des Metallelements 1 durch
Gas in einem Hochdruckzustand verwendet werden-. Grundsätzlich ist
es nur erforderlich, daß die
Hochdruckgasversorgungsquelle 5 vermag, Gas in einen Hohlraum 10 des
Metallelements 1 zuzuführen
und dadurch das Metallelement 1 zu verformen/auszubauchen.
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Weiterhin
wird gemäß dem ersten
Beispiel ein das Metallelement 1 konstituierende Metall
auf Eisen-Basis vor Härten
in einen Hochspannungszustand oder hochfesten Stahl überführt und
weist eine Zugfestigkeit von nicht weniger als 600 MPa (=60 kgf/mm2) auf, dies ist jedoch nicht einschränkend. Ein das
Metallelement 1 konstituierendes Material kann gewöhnlicher
Kohlenstoffstahl oder Legierungsstahl sein und muß grundsätzlich nur
geeignet sein, durch eine formgebende Fläche 31 einer formgebenden Matrize
abgeschreckt und verstärkt
zu werden.
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Weiterhin
wird gemäß dem ersten
Beispiel ein Erhitzungsschritt zum Erhitzen des Metallelements 1 getrennt
von einem formgebenden und abschreckenden (abschreck-verstärkenden)
Schritt zum Ausbauchen/Verformen einer Wand 1 des Metallelements 1 ausgeführt, dies
ist jedoch nicht einschränkend.
Das Metallelement 1 kann je nach Fall inmitten des formgebenden
und abschreckenden (abschreck-verstärkenden) Schritts erhitzt werden. Zum
Beispiel kann das Metallelement in einem frühen Stadium oder einem mittleren
Stadium des Ausbauchens/Verformens der Wand 1a des Metallelements 1 erhitzt
werden.
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Gemäß dem in 6 dargestellten
dritten Beispiel werden die Anschlüsse 7 mit jeweils
einem Ende des Metallelements 1 verbunden. Struktur und Material
des jeweiligen Erregerelements 7 kann den Umständen entsprechend ausgewählt werden. Grundsätzlich müssen die
Erregerelemente 7 nur dazu geeignet sein, dem Metallelement 1.
elektrische Energie zuzuführen
(das Metallelement 1 elektrisch zu erregen) und dadurch
Widerstandszuerhitzen. Gemäß dem dritten
Beispiel ist das jeweilige Erregerelement 7 mit dem Ende
des Metallelements 1 verbunden, dies ist jedoch nicht einschränkend, und
das Erregerelement 7 kann mit einer mittleren Position des
Metallelements 1 verbunden werden.
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Gemäß den oben
beschriebenen zweiten und dritten Beispielen stehen die formgebende
Matrize 3 und das Metallelement 1 nicht in Kontakt
miteinander, dies ist jedoch nicht beschränkend. Die formgebende Matrize 3 kann
im Erhitzungsschritt zu dem Zweck in teilweisem Kontakt mit dem
Metallelement 1 stehen, um das Metallelement 1 und
dergleichen zu halten. Auch in anderen Aspekten ist die vorliegende Erfindung
nicht lediglich auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt, und
es können
den Umständen
entsprechend in den Schutzbereich der Erfindung fallende Modifikationen
vorgenommen werden.
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(Anhang)
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Die
folgenden technischen Ideen können aus
der obigen Beschreibung herausgelesen werden.
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(Anhang Punkt 1)
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Ein
Verfahren zum Formen eines Metallelements, umfassend die folgenden
Schritte: Verwendung eines zylindrischen Metallelements mit einem Hohlraum
und hergestellt aus einem Metall auf Eisen-Basis in einem Zustand
hoher Spannung, und formgebender Matrizenanordnung mit (einem Matrizenhohlraum
mit) einer formgebenden Fläche;
und Ausführen
eines formgebenden und abschreckenden (abschreck-verstärkenden)
Schritts unter Erhöhung des
Innendrucks von Gas, welches in dem Hohlraum des Metallelements
enthalten ist, das bis auf einen Temperaturbereich erhitzt ist,
welcher zum Abschrecken (Abschreck-Verstärken) zum Ausbauchen und/oder
Verformen der Metallelementwand geeignet ist, Formen der ausgebauchten
und/oder verformten Wand, indem diese in innigen Kontakt mit der formgebenden
Fläche
gebracht wird und Abschrecken (Abschreck-Verstärken) der Wand. In diesem Fall
kann das aus einem auf Eisen basierenden Metall von hoher Spannung
hergestellte Metallelement noch weiter verstärkt werden, während seine
Formbarkeit sichergestellt ist.
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(Anhang Punkt 2)
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Ein
Verfahren zum Formen eines Metallelements, umfassend die folgenden
Schritte: Verwendung eines zylindrischen Metallelements mit einem Hohlraum
und einer formgebenden Matrizenanordnung mit (einem Matrizenhohlraum
mit) einer formgebenden Fläche;
und Ausführen
eines Erhitzungsschritts unter Erhitzen des Metallelements bis auf
einen zum Abschrecken (Abschreck-Verstärken) und Formen geeigneten
Temperaturbereich, und einem abschreckenden (abschreck-verstärkenden)
Schritt unter Erhöhung
des Innendrucks des in dem Hohlraum des erhitzten Metallelements
enthaltenen Gases, um die Wand des Metallelements auszubauchen und/oder
zu verformen, Formen der ausgebauchten und/oder verformten Wand,
indem diese Wand in innigen Kontakt mit der formgebenden Fläche der formgebenden
Matrize gebracht wird, und Abschrecken (Abschreck-Verstärken) der
Wand.
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(Anhang Punkt 3)
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Ein
Formungsverfahren zum Formen einer Zentralsäulenverstärkung, umfassend die folgenden Schritte:
Verwendung eines zylindrischen Metallelements, welches auf eine
Zentralsäulenverstärkung zum
Verstärken
einer Zentralsäule
eines Fahrzeugs anzuwenden ist, mit einem Hohlraum, und einer formgebenden
Matrizenanordnung mit einer formgebenden Fläche; und Ausführen eines
formgebenden und abschreckenden (abschreck-verstärkenden) Schritts unter Erhöhung des
Innendrucks des Gases, welches in dem Hohlraum des Metallelements,
welches bis zu einem abschreck-verstärkungsgeeigneten Temperaturbereich
erhitzt ist, um die Wand des Metallelements auszubauchen und zu
verformen, Formen der ausgebauchten und/oder verformten Wand, indem
diese Wand in innigen Kontakt mit der formgebenden Fläche gebracht
wird, und Abschreck-Verstärken der
Wand. In diesem Fall kann eine bedeutende Stärkung der Zentralsäulenverstärkung verwirklicht
werden, während
die Formbarkeit derselben sichergestellt ist, um den Widerstand
eines Fahrzeugs gegen Seitenkollision zu erhöhen.
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(Anhang Punkt 4)
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Ein
Verfahren zum Formen eines Metallelements gemäß einem der anhängigen Ansprüche oder
jeglichem vorangehenden Punkt, wobei das Erhitzen des Metallelements
unter der Bedingung ausgeführt
wird, daß das
Metallelement innerhalb des Matrizenhohlraumes der formgebenden
Matrize angeordnet ist.
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Die
verdienstvollen Effekte der vorliegenden Erfindung werden wie folgt
zusammengefaßt.
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Gemäß einem
Verfahren zum Formen eines Metallelements der Erfindung wird ein
Metallelement bis zu einem Abschreck-Verstärkungs-geeigneten Temperaturbereich
erhitzt. Dann wird in einem formgebenden und abschreck-verstärkenden
Schritt eine Wand des Metallelements ausgebaucht und verformt durch
Erhöhen
des Innendrucks von in einem Hohlraum des Metallelements enthaltenem
Gas, Formen der ausgebauchten und/oder verformten Wand des Metallelements,
indem diese Wand in innigen Kontakt mit einer formgebenden Fläche einer
formgebenden Matrize gebracht wird und Abschreck-Verstärken der
Wand. Das Metallelement befindet sich während des Ausbauchens/des Verformens
in einem erhitzten Zustand, so daß die plastische Verformbarkeit
des Metallelements verbessert wird und auch Ausbauchungs- und Verformungsfähigkeit
und demgemäß Formbarkeit
des Metallelements verbessert werden. Weiterhin wird das Metallelement
in dem formgebenden und abschreck-härtenden Schritt abgeschreckt und
verstärkt,
indem die ausgebauchte und/oder verformte Wand des Metallelements
in innigen Kontakt mit der formgebenden Fläche der formgebenden Matrize
gebracht wird. Demgemäß können gleichzeitig sowohl
Formbarkeit des Metallelements als auch eine bedeutende Stärkung desselben
erreicht werden.
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Gemäß dem Verfahren
zum Formen eines Metallelements der Erfindung kann, wenn die Erhitzungstemperatur
des Metallelements in einem Erhitzungsschritt, Dicke des Metallelements,
Kühlvermögen der
formgebenden Fläche
der formgebenden Matrize in geeigneter Weise gesteuert werden, in
Bezug auf die Dickenrichtung der Wand des Metallelements 1 eine
Kühlgeschwindigkeit
einer Oberflächenschicht,
die der formgebenden Fläche
der formgebenden Matrize gegenüberliegt
und in innigem Kontakt mit derselben steht, größer gemacht werden als die
der anderen Oberflächenschicht,
welche entgegengesetzt der formgebenden Fläche der formgebenden Matrize
angeordnet ist. Demgemäß kann im Hinblick
auf die Dickenrichtung der Wand des Metallelements unter Verbesserung
einer Härtungseigenschaft
einer Oberflächenschicht,
die der formgebenden Fläche
der formgebenden Matrize gegenüberliegt
und in innigem Kontakt mit derselben steht, um diesen Teil in hohem
Maße zu
stärken,
eine Härtungseigenschaft
der anderen Oberflächenschicht, welche
entgegengesetzt der formgebenden Fläche der formgebenden Matrize
angeordnet ist, auch unterdrückt
werden, um eine Zähigkeit
dieses Teils sicherzustellen.
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Gemäß dem Verfahren
zum Formen des Metallelements, dem resultierenden Metallelementprodukt
und der Metallelementformungsvorrichtung kann die Wärmebehandlung
des Metallelements (d.h. das Kühlen
(Abschrecken) oder Erhitzen und Kühlen) ausgeführt werden,
während
das Metallelement innerhalb der Matrize (Matrizenanordnung) gehalten
ist. Zum Beispiel kann eine Oberflächenhärtung des Metallelements durch
Abschreck-Härten
erreicht werden, welches durch die gekühlte Matrize verursacht wird.
Demgemäß kann ein
Metallelement, für
welches das Formungsverfahren schwierig ist, effizient mittels Formation
unter Verwendung des unter Druck stehenden Gasmediums geformt. werden,
wobei gleichzeitig effiziente Verstärkung desselben erreicht wird
durch das Abschreck-Härten, welches
verursacht durch die gekühlte
Matrize innerhalb des Matrizenhohlraumes auftritt.
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Es
ist anzumerken, daß andere
Aufgaben, Merkmale und Aspekte der vorliegenden Erfindung in der
gesamten Offenbarung offensichtlich werden und daß Modifikationen
vorgenommen werden können, ohne
vom Umfang der vorliegenden Erfindung wie in den anhängigen Ansprüchen definiert
abzuweichen.
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Es
sollte auch angemerkt werden, daß jegliche Kombination der
offenbarten und/oder beanspruchten Elemente, Sachverhalte und/oder
Gegenstände
unter die oben genannten Modifikationen fallen können.
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Zusammenfassend
wird ein Verfahren zum Formen eines Metallelements angegeben, welches geeignet
ist, sowohl Formbarkeit eines Metallelements als auch bedeutende
Stärkung
desselben zu erreichen. Es werden ein zylindrisches Metallelement mit
einem Hohlraum und eine formgebende Matrize mit einer formgebenden
Fläche
verwendet. Das Metallelement wird bis auf einen Temperaturbereich, welcher
zum Abschreck-Verstärken
geeignet ist (z.B. nicht weniger als der A1-Transformationspunkt),
erhitzt. Durch Erhöhung
des Innendrucks von Gas, welches in dem Hohlraum des Metallelements
enthalten ist, wird eine Wand des Metallelements ausgebaucht und/oder
verformt, und die ausgebauchte, verformte Wand des Metallelements
wird dadurch verformt, daß sie
in innigen Kontakt mit der formgebenden Fläche der formgebenden Matrize
bei gleichzeitigem Abschrecken (Abschreck-Verstärken) derselben gebracht wird.
Es wird eine bedeutende Verstärkung des
Metallelements erreicht.