DE19503620A1 - Verfahren zum Umformen eines plattenförmigen Bauteils - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Umformen eines platten­ förmigen Bauteils, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zur Herstellung von räumlich gekrümmten Bauteilen aus gehärtetem, me­ tallischem Material, etwa von Tankbodensegmenten für ein Raumfahrzeug, ist es bekannt, einen ebenen, plattenförmigen Bauteilzuschnitt gleichzeitig mit der Warmhärtung in der Weise umzuformen, daß der Zuschnitt an einer der herzustellenden Bauteilkontur entsprechend gekrümmten Formschale festgespannt und während des Warmhärtzyklus einer äußeren Druckeinwir­ kung ausgesetzt wird, die unter Berücksichtigung der Warmhärttemperatur so gewählt wird, daß die Kriechfestigkeit des Werkstoffs überschritten wird, so daß sich der Zuschnitt im Laufe der Warmauslagerung an die Kontur der Formschale anpaßt. Bei diesem sog. Age-Creep-Forming zeigen sich jedoch nach der Umformung starke Rückfederungseffekte, die vor allem bei groß flächigen Zuschnitten zu erheblichen Abweichungen der erzielten Bauteil­ geometrie von der Kontur der Formschale führen, und ferner besteht bei Bauteilen geringer Wandstärke die Gefahr örtlicher Faltenbildungen, zu deren Abhilfe das Bauteil über das konstruktiv erforderliche Ausmaß hinaus aufgedickt werden muß, was unter dem Gesichtspunkt einer material- und gewichtssparenden Bauweise insbesondere für Baukomponenten der Luft- oder Raumfahrt ein gravierender Nachteil ist. Hinzu kommt, daß auch die Werkstoffeigenschaften, etwa die mechanische Festigkeit und die Streck­ grenze des so gefertigten Bauteils unter den für den Werkstoff an sich erzielbaren Höchstwerten liegen.

Als alternatives Herstellungsverfahren für Bauteile dieser Art ist das Kugel­ strahlumformen bekannt, bei dem ein Bauteilzuschnitt in gehärtetem Zu­ stand mit relativ geringem Fertigungsmittelaufwand weitgehend kontur­ genau ohne die erwähnten, fertigungstechnischen Schwierigkeiten des Age­ Creep-Forming in eine räumlich gekrümmte Form gebracht wird. Nach­ teilig ist jedoch auch hier, daß die Werkstoffeigenschaften des fertig­ gestellten Bauteils, nämlich inbesondere die Restdehnfähigkeit, hinter den für den gewählten Werkstoff an sich erreichbaren Werten zurückbleiben.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Fertigungsverfahren der eingangs genann­ ten Art so auszubilden, daß die mechanischen Werkstoffeigenschaften des umgeformten und gehärteten Bauteils auf herstellungsmäßig einfache Weise verbessert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 ange­ gebene Verfahren gelöst.

Aufbauend auf der Erkenntnis, daß sich die Restdehnung eines schlag­ körperumgeformten, warmgehärteten Bauteils signifikant erhöht und Festig­ keitsschwankungen im Bauteil weitgehend verringert werden, wenn das Bauteil in noch ungehärtetem Zustand schlagkörperumgeformt und dann unter der Wirkung eines Kriecheffekte im Werkstoff auslösenden Außen­ drucks warmausgelagert wird, wird erfindungsgemäß durch die bean­ spruchte Kombination von Schlagkörperumformung und Warmhärtung mit gleichzeitiger Druckbeaufschlagung des Werkstückzuschnitts ein qualitativ hochwertiges Bauteil mit gegenüber jedem der eingangs geschilderten Ferti­ gungsverfahren deutlich verbesserten Werkstoffeigenschaften erhalten, so daß sich selbst großflächige, räumlich gekrümmte Bauteile aus metal­ lischen, warmhärtenden Materialien, etwa Nichteisen-Metallegierungen, wie sie in der Luft- oder Raumfahrt Verwendung finden, unter hochgradiger Materialausnutzung auf fertigungstechnisch einfache Weise gewichts­ sparend, konturgenau und kostengünstig herstellen lassen.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung werden bei der Warmauslagerung nach Anspruch 2 die Warmhärttemperatur bis zu etwa 12% und die Warmhärtzeit bis zu etwa 20% unterhalb der für den unverformten Werk­ stoff definierten Werte gehalten. Gestützt auf die Feststellung, daß sich der maximale Härtungseffekt der Warmauslagerung aufgrund der vorhergehen­ den Schlagkörperumformung in Richtung geringerer Warmhärttemperaturen und -zeiten verschiebt, werden hierdurch die mechanischen Bauteil­ eigenschaften und insbesondere die Werkstoffestigkeit weiter verbessert.

Im Hinblick auf eine erhöhte Konturgenauigkeit wird das schlagkörper­ umgeformte Bauteil gemäß Anspruch 3 in besonders bevorzugter Weise während der Warmauslagerung in einer vollflächigen Werkzeugschale mit einer der endgültigen Bauteil-Kontur entsprechenden Formfläche druck­ beaufschlagt, so daß das umgeformte Bauteil während des durch die Druck- und Temperatureinwirkung beim Warmhärten erzeugten Kriechprozesses formstabil gehalten wird und nach der Schlagkörperumformung im Bauteil möglicherweise noch verbliebene Konturungenauigkeiten und zu Rück­ federungen führende Eigenspannungen auf einfache Weise selbsttätig aus­ geglichen werden.

Um auch für Bauteile, die nur einseitig glattflächig gekrümmt, auf der ge­ genüberliegenden Bauteilseite aber ungleichförmig profiliert, also etwa stufenförmig aufgedickt sind, mit geringem Fertigungsmittelaufwand eine gleichförmige Flächenpressung im Preßwerkzeug sicherzustellen, wird der Formraum des Preßwerkzeugs auf der der Formfläche abgewandten Bauteil­ seite gemäß Anspruch 4 zweckmäßigerweise durch eine flexible, während der Warmauslagerung von außen druckmittelbeaufschlagte Begrenzungs­ wand dichtend verschlossen, wobei die Druckmittelbeaufschlagung und Warmauslagerung vorzugsweise in einem Autoklaven erfolgt und der Form­ raum zwischen flexibler Begrenzungswand und Formfläche gemäß An­ spruch 5 im Hinblick auf eine erhöhte Bauteilkompression evakuiert wird.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbin­ dung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schematisier­ ter Darstellung:

Fig. 1 einen ebenen, plattenförmigen Bauteil-Zuschnitt im nicht um­ geformten Zustand;

Fig. 2 das Bauteil nach der Kugelstrahlumformung in eine räumlich gekrümmte Kontur;

Fig. 3 das Bauteil während der Warmauslagerung und Druckbeauf­ schlagung in einem Preßwerkzeug und

Fig. 4 einen Ausschnitt des Preßwerkzeugs gemäß Fig. 3 im ver­ größerten Maßstab.

Anhand der Fig. wird die Herstellung eines sphärisch gekrümmten Boden­ segments für die Tankböden des Treibstofftanks eines Raumfahrzeugs be­ schrieben. Gemäß Fig. 1 wird zunächst aus einer ebenen Metallplatte, z. B. aus einer schweißbaren Aluminium-Kupfer-Legierung mit einem 6%-igen Kupferanteil, ein kreissektorförmiger Zuschnitt 2 hergestellt und entspre­ chend dem geforderten Wanddickenverlauf des Tankbodensegments span­ abhebend bearbeitet, so daß stufenförmige Aufdickungen 4 erhöhter Wand­ stärke stehenbleiben.

Anschließend wird der Bauteilzuschnitt 2 auf die in der DE 38 42 064 C2 beschriebene Weise, auf die hiermit vollinhaltlich Bezug genommen wird, im Wege der Kugelstrahlumformung dergestalt kaltumgeformt, daß er zu­ mindest annähernd mit der sphärisch gekrümmten Endkontur des herzustel­ lenden Tankbodensegments 6 übereinstimmt (Fig. 2).

Das so umgeformte Bauteil 6 wird dann in ein Preßwerkzeug 8 (Fig. 3) ein­ gelegt, welches eine starre Formschale 10, z. B. aus Carbonfaserverbund­ werkstoff mit einer der Bauteil-Endkontur entsprechend sphärisch ge­ krümmten Formfläche 12 enthält. Auf der mit den Aufdickungen 4 versehe­ nen Innenseite wird das Bauteil 6 unter Zwischenlage eines luftdurch­ lässigen Sauggewebes 14 durch eine flexible Vakuumfolie 16 abgedeckt, welche am Rand durch eine Dichtmasse 18 druckdicht mit der Formschale 10 verbunden wird, woraufhin das Preßwerkzeug 8 mit dem im Formraum zwischen Formfläche 12 und Vakuumfolie 16 eingeschlossenen Bauteil 4 in einen - nicht gezeigten - Autoklaven eingebracht und dort warmausgelagert wird, wobei die Warmhärttemperatur um etwa 12% und die Warmhärtzeit um etwa 20% unter den für den unverformten Werkstoff geltenden Werten gehalten werden. Gleichzeitig mit der Warmaushärtung wird der Formraum evakuiert und der Autoklavendruck auf einem so hohen Niveau gehalten, daß der Bauteil-Werkstoff zum Kriechen gebracht wird.

Nach Beendigung des Warmhärtzyklus ist das Bauteil 6 fertiggestellt und kann mit weiteren, auf gleiche Weise gefertigten Bauteilen zu einem halb­ kugelförmigen Tankboden eines Treibstofftanks für ein Raumfahrzeug zu­ sammengeschweißt werden.

Bei einem konkreten Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde ein kreis­ ringsektorförmiger, ebener Bauteilzuschnitt 2 aus dem oben erwähnten Werkstoff mit einer Radiallänge von 2500 mm und einer Breite von 2100 mm hergestellt und spanabhebend auf eine Wandstärke von 1,3 mm mit örtlichen Aufdickungen bis zu 4,5 mm gebracht. Durch die Kugelstrahl­ umformung wurde das Bauteil in eine zweiachsig gekrümmte Form (Krüm­ mungsradius R₁ etwa 3000 mm und Krümmungsradius R₂ etwa 2700 mm) gebracht. Die Warmauslagerung im Preßwerkzeug 8 erfolgte bei einem Autoklavendruck von 5 bar mit einer Aufheizrate von 30°C/h und einer Haltezeit von 14 Stunden bei 160°C. Dabei wurden alle noch vorhandenen Konturungenauigkeiten beseitigt. Anhand von Proben wurde festgestellt, daß die Werkstoffeigenschaften gegenüber einem gleichartigen, kugelstrahl­ umgeformten, jedoch ohne Kriechprozeß warmgehärteten Bauteil entschei­ dend verbessert werden konnten und die geforderten Sollwerte überschritten wurden. Die Hauptvorteile lagen in einer höheren Restdehnung und mecha­ nischen Festigkeit sowie einer Verringerung der Streuung der Werkstoff­ eigenschaften innerhalb der Bauteilflächen und dem fast restlosen Abbau von Eigenspannungen.

Claims (5)

1. Verfahren zum Umformen eines plattenförmigen Bauteils aus einem elastisch und plastisch umformbaren, durch Warmauslagerung härt­ baren, insbesondere metallischen Werkstoff, bei dem das Bauteil in eine räumlich gekrümmte Form schlagkörper-, insbesondere kugel­ strahlumgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil vor der Warmauslagerung schlagkörperumgeformt und während der Warmauslagerung einer äußeren, die Kriechfestigkeit des Werkstoffs übersteigenden Druckeinwirkung ausgesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Warmhärttemperatur und -zeit der Warmauslagerung unterhalb der für den unverformten Werkstoff definierten Werte gehalten wer­ den.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das schlagkörperverformte Bauteil während der Warmauslagerung in einem Preßwerkzeug mit einer der endgültigen Bauteil-Kontur ent­ sprechenden Formfläche vollflächig druckbeaufschlagt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Formraum des Preßwerkzeugs auf der der Formfläche abgewand­ ten Bauteilseite durch eine flexible, während der Warmauslagerung von außen druckmittelbeaufschlagte Begrenzungswand dichtend ab­ geschlossen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Formraum zwischen flexibler Begrenzungswand und Formfläche des Preßwerkzeugs während der äußeren Druckmittelbeaufschlagung und Warmauslagerung des Bauteils evakuiert wird.