DE19503620C2 - Verfahren zum Umformen eines plattenförmigen Bauteils - Google Patents
Verfahren zum Umformen eines plattenförmigen BauteilsInfo
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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 aushärtbaren
Legierungen, 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 Hambride, D. M.: Age Forming Technology Expanded
in an Autoclave, SAE Technical Paper Series
850885, 1985, S. 1-16 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 (DE 38 42 064 C2). 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, warmgehäfteten 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 anschließender 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 Figuren 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 einer
elastisch und plastisch umformbaren, durch Warmauslagerung härt
baren, Legierung, bei dem das Bauteil in
eine räumlich gekrümmte Form schlagkörper-, insbesondere kugel
strahlumgeformt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Bauteil vor der Warmauslagerung schlagkörperumgeformt und danach
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.
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Owner name: DAIMLERCHRYSLER AEROSPACE AKTIENGESELLSCHAFT, 8099 |
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