Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Halbzeugen

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halbzeugen mit nichtrotationssymmetrischer Massenverteilung über den Halbzeugquerschnitt gesehen, durch Stauchen von langgestreckten Leichtmetallprofilen (11) in einer teilbaren Form (10), ggf. nach einer vorherigen Wärmebehandlung, wobei vor oder bei Beginn des Stauchens ein Profilrohling (11) am Ort der maximalen Knickbeanspruchung bzw. maximalen Auslenkung form- und/oder kraftschlüssig in der teilbaren Form (10) fixiert und dann der Stauchvorgang unter Formänderung des Profilrohlings (11) bis zur vollständigen Formfüllung durchgeführt wird.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einem geteilten Ober- und Unterwerkzeug (10a,10b) des Gesenks (10) mit einer führungsgebenden Werkzeugzone (10c) und einer formgebenden Gravur (10d) des Gesenks (10), wobei in der formgebenden Gravur (10d) des Gesenks (10) mindestens eine Vertiefung oder Nut (13) zur Verklammerung des Profilrohlings (11) während des Stauchens angeordnet ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halbzeugen mit unterschiedlicher Massenverteilung über den Halbzeugquerschnitt aus langgestreckten Leichtmetallprofilen durch Stauchen eines Profilrohlings ggf. nach einer vorherigen Wärmebehandlung sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

[0002] Die Erfindung betrifft ferner ein mit der Vorrichtung hergestelltes Halbzeug. Dieses wird einem vorzugsweise in Profillängsrichtung geteilten Ober- und Unterwerkzeug 10a, b des Gesenks 10, mit einer führungsgebenden Werkzeugzone 10c und einer formgebenden Gravur 10d des Gesenks 10 entnommen, wobei in der formgebenden Gravur 10d mindestens eine Vertiefung oder Nut 13 zur Verklammerung des Profilrohlings 11 während des Stauchens angeordnet ist.

[0003] In der Übergangsphase zwischen Rohteil und Endform werden Zwischenformen erzeugt, bei denen durch verschiedene Fertigungsschritte eine Massenverteilung in Richtung der gewünschten Endform erzielt wird. Die Massenverteilung hat die Aufgabe, die Querschnittsflächen des Rohteils denen der Endform anzupassen. Die Längsachse der Zwischenform kann durch Biegen an die der Endform angeglichen werden. Beispiele zu geeigneten Zwischenformen und der damit erzielbaren Massenverteilung sind dem Handbuch der Fertigungstechnik von G. Spur, Band 2/2, Abschnitt "Umformen" zu entnehmen.

[0004] In der vorliegenden Anmeldung geht es ganz allgemein um die Herstellung eines Halbzeuges aus einem Profilrohling, der später durch Schmieden, Pressen, Walzen, Drücken oder aber spanend weiter bearbeitet werden soll. Bei der Herstellung von Halbzeugteilen mit schroffen, großen Unterschieden in den Massen über den Halbzeugquerschnitt gesehen, besteht ein ungünstiges Verhältnis von Materialeinsatz zur Ausbringung, da die eingesetzten Materialen längssymmetrisch ausgebildet sind. Üblich ist es, durch lokale zentrische Anstauchungen eine symmetrische Querschnittsvergrößerung um den Faktor 2 - 2,5 zu erreichen, die dann in einem geeigneten Schmiedeverfahren weiter verarbeitet wird.

[0005] Die vorliegende Erfindung befaßt sich insbesondere mit der Herstellung von Schmiedehalbzeug. Nach Aluminium-Taschenbuch, 14. Auflage, Seite 296, unterscheidet man bei Aluminium und Aluminiumlegierungen je nach Herstellungsart folgende Halbzeuge:

• Gesenkschmiedestücke werden durch Umformen im Gesenk aus Profilabschnitten hergestellt.
• Freiformschmiedestücke werden durch Umformen zwischen Sätteln aus warmgewalzten Blechen oder Stangenabschnitten erzeugt.

Während beim Freiformschmieden mit einfachen, den Werkstoffen nicht allseitig umschließenden Werkzeugteilen der Werkstoff derart verformt wird, daß seine Kontur der Fertigform des Bauteils soweit wie möglich entspricht, wird beim Gesenkschmieden das Metall durch Schlag oder Druck in einen den Werkstoff bis auf eine Gradfuge allseitig umschließenden Gesenk solange umgeformt, bis der Formhohlraum vollständig ausgefüllt ist.

[0006] Wenn mehr Werkstoff beim Umformen des Rohteils zur Endform verlagert werden muß, kann dies nicht in einem Arbeitsgang und in einem Werkzeug durchgeführt werden. Dann sind verschiedene Werkzeuge mit unterschiedlichen Gravuren erforderlich, um die Gesenkschmiedeteile in einem mehrstufigen Vorgang herstellen zu können.

[0007] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Halbzeugen mit unterschiedlicher Massenverteilung über den Halbzeugquerschnitt eine wirtschaftliche Vordosierung des Rohlings vor der Endbearbeitung zu erreichen, so daß beim eigentlichen Fertigbearbeiten das Verhältnis von Materialeinsatz zur Ausbringungsmenge verbessert wird. Hierzu soll eine Vorrichtung entwickelt werden, die eine Querschnittsvergrößerung um den Faktor 3 und mehr erlaubt.

[0008] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale gelöst. Es hat sich gezeigt, daß durch ein Biegen bzw. Ausknicken des Profilrohlings gegen eine Anschlagfläche und anschließendes Stauchen unter gleichzeitiger Verklammerung im Anschlagbereich eine Vergrößerung der Querschnittsfläche ohne Faltenbildung erreicht werden kann.

[0009] Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Figuren näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1

Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Draufsicht

Fig. 2

Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Seitenansicht

Fig. 3

Querschnitte durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung in der formgebenden Gravur mit den einzelnen Verformungsstufen

Fig. 4

Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung im geschlossenen Zustand

Fig. 5

Vergleichsmuster für Halbzeug, zentrisch angestaucht

Fig. 6

Querschnitte durch verschiedene, erfindungsgemäße Gesenkformen

Fig. 7

Verschiedene Querschnitte durch erfindungsgemäß einsetzbare Profilrohlinge

[0010] Gemäß Fig. 1 wird der Profilrohling 11 in ein Gesenk 10 gelegt, bestehend aus einer führungsgebenden Werkzeugzone 10c des Gesenks 10 und einer formgebender Gravur 10d des Gesenks 10. Wie durch die Pfeile am Ende des Profilrohlings 11 angedeutet, wird der Profilrohling in dem Gesenk 10 unter Druck gesetzt und dabei gegen den Anschlagbereich 14 durch Ausknicken in einen gebogenen Zustand versetzt. Dieser Vorgang ist in Fig. 3 in den Verformungsstufen 3.3, 3.4 und 3.5 dargestellt. Im oberen Teil der formgebende Gravur 10d befindet sich der Expansionsraum 12, in den ein Schieber 18 hineinragt. In Figur 1 ist der Schieber 18 in seiner Ausgangsstellung gezeigt. Nach dem Einlegen des Rohlings wird dieser gestaucht und dabei der Schieber 18 mitbewegt.

[0011] In der Seitenansicht gemäß Fig. 2 ist das Gesenk 10 längsgeteilt mit einem Ober- und einem Unterwerkzeug 10a, 10b des Gesenks 10 dargestellt. Je nach Ausbildung des Gesenkes kann auch hier in der formgebenden Gravur 10d eine Verdickung des Profilrohlings 11 stattfinden.

[0012] Bei dem Rohling handelt es sich um ein stranggepreßtes Rechteckprofil aus einer AlMgSi1-Legierung mit der Normbezeichnung EN-AW6082 in Form einer Flachstange. Der Faserverlauf liegt in Krafteinwirkungsrichtung.

[0013] Je nach dem Grad der späteren Umformung kann der Rohling einer Wärmebehandlung unterworfen werden, z.B. bei T = 400 - 500°C. Der Profilrohling 11 wird je nach Anforderung ein- oder zweiseitig mittels Stempel, angedeutet durch die Pfeile 16a-d, durch die führungsgebenden Werkzeugzonen 10c in die formgebende Gravur 10d geschoben.

[0014] Nachdem der Profilrohling an der Anschlagfläche 17 angestossen ist, beginnt der eigentliche Stauchvorgang (Stufe 3.6 in Fig. 3). Der Stauchvorgang erfolgt erst nach einem Vorspannen gemäß Stufe 3.3 bis 3.5 des Profilrohlings 11, der dadurch in die Vertiefung oder Nut 13 der formgebenden Gravur eingepreßt wird. Je nach Ausprägung der Gravur und dem Dicken-Breitenverhältnis der Flachstange bzw. Profilrohlings muß das Vorspannen durch einen seitlichen Schieber 18 unterstützt werden.

[0015] Beim Stauchen des Profilrohlings gemäß Stufe 3.6, 3.7 und 3.8 der Fig. 3 wird der im formgebenden Teil des Gesenkes liegende Abschnitt des Profilrohlings verdickt und durch Formschluß mit den Vertiefungen 13 bzw. den gegenüberliegenden Nuten 13a, 13b darin verklammert. Durch die Verklammerung wird ein Knicken oder die Bildung von Falten im Profilrohling verhindert, so daß dieser beim weiteren Stauchen die Gravur vollständig ausfüllt.

[0016] Es können auch andere Werkstoffe und Umformverfahren, wie z.B. Pressen, Walzen, Drücken oder eine spanende Bearbeitung nach dem Vordosieren des Materials durch den erfindungsgemäßen Stauchprozeß zum Einsatz kommen.

[0017] Im folgenden wird ein Vergleich zwischen einem Profilrohling mit quer zur Stauchrichtung angeordneten Fasern, einem Profilrohling mit Faserverlauf in Stauchrichtung und einem herkömmlich durch Reckwalzen hergestellten Zwischenprodukt durchgeführt. Die jeweiligen Querschnitte der verglichenen Profilrohlinge sind in den Figuren beispielhaft dargestellt.

[0018] Die Profilrohlinge 1, 2 werden über Zwischenstufen 3,3 - 3,8 (Fig. 3) nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu einem Schmiedehalbzeug umgeformt. An den markierten Stellen wurden Querschnitte angelegt, die durch geeignete Ätzverfahren für lichtoptische Auswertungen vorbereitet wurden. Eine fachmännische Beurteilung ergab, daß an den Stellen hoher Biegebeanspruchung ein verdichtetes Fasergefüge vorlag, so daß eine biegefreundliche Struktur mit dem erfindungsgemäßen Verarbeitungsverfahren erreicht wurde.

[0019] Nach dem Stand der Technik umgeformte Vergleichsprodukte (siehe Fig. 5, Vergleichsmuster) können nicht mit einer Querschnittsvergrößerung um den Faktor 3 und mehr gestaucht werden, so daß keine asymmetrische Massenverteilung erreicht werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet daher erstmals die Möglichkeit, den Materialeinsatz bei der Herstellung von nichtrotationssymmetrischen Teilen deutlich zu reduzieren, da die Halbzeuge bereits optimal vordosiert sind.

[0020] Ein weiterer Vorteil besteht bei den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Produkten darin, daß der Werkstoff im Bereich der Querschnittsvergrößerung stärker durchknetet wird und daher bessere Umformeigenschaften aufweist.

[0021] Bei Werkstoffen und Profilrohlingen, die ein Fasergefüge aufweisen, läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren mit Vorteil für eine gezielte Verbesserung der Werkstoffeigenschaften in Faserrichtung nutzen. Hierzu wird das Fasergefüge des Rohlings in Umformrichtung gehalten und beim exentrischen Belasten des Rohlings darauf geachtet, daß die Hauptbeanspruchungsrichtung weitgehend mit dem Faserverlauf übereinstimmt.

[0022] Als Ergebnis wird ein in der Masserverteilung und im Festigkeitsverhalten optimiertes Halbfertigprodukt erhalten.

[0023] In Fig. 4 ist ein besonderer Profilrohling 41 in ein Gesenk 42 eingelegt. Der Profilrohling 41 besteht aus einem bereits spanend vorbearbeiteten Stangenabschnitt mit einer Nut 43, in die eine umlaufende Rille 44 des Gesenks 42 eingreift. Beim Schließen des Gesenkes verkrallen sich die Gesenkteile in die Nut 43 des Profilrohlings 41 und fixieren ihn somit entsprechend der vorbereiteten Kontur.

[0024] Bei Beginn des Stauchvorganges wird durch die Bohrungen 45 und 46 jeweils ein Stempel gegen den Profilrohling 41 angepreßt. Es ergeben sich dann unsymmetrische Massenverteilungen bezogen auf die Symmetrieachse 47.

[0025] Zum Vergleich wird anhand der Fig. 5 noch einmal der herkömmliche Stauchvorgang erläutert. Hierzu wird ein Rohling in Form einer Stange 51 in Pfeilrichtung 52, 53 zentrisch angestaucht. Es ergibt sich eine Verdickung 54, die sich über den Bereich A erstreckt. Die Verdickung 54 weist eine maximale Stauchbreite B auf, die bei der Weiterbearbeitung des Halbzeuges als Materialquelle für eine exzentrische Bearbeitung dient.

[0026] Die Fig. 6 zeigt mehrere Varianten der erfindungsgemäß verwendeten Vorrichtungen zur Herstellung von Halbzeugen mit nichtrotationssymmetrischer Maschenverteilung. In Fig. 6a ist ein Profilrohling 6.1 in dem Gesenk 6.2 über eine Verklammerung 6.3 fixiert.

[0027] In Fig. 6.b ist der Profilrohling 6.4 in das Gesenk 6.5 eingelegt und wird dort in Querrichtung gestaucht.

[0028] In Fig. 6.c ist der Profilrohling 6.6 formschlüssig in das Gesenk 6.7 eingelegt. Die Stauchbewegung erfolgt quer zur Blattebene.

[0029] In Fig. 6.d ist ein Profilrohling 6.8 in dem Gesenk 6.9 zentrisch angeordnet, wobei jedoch die Massenverteilung exzentrisch, überwiegend in Richtung des längeren Querschenkels 6.10 erfolgt.

[0030] In Fig. 6.e ist der Profilrohling 6.11 exzentrisch in dem Gesenk 6.12 angeordnet und wird durch eine quer zur Bildebene erzeugte Stauchkraft in die Hohlform 6.13 gebracht.

[0031] In Fig. 6.f ist der Rohling 6.14 analog zu 6.e exzentrisch in der Gesenkform 6.15 angeordnet und wird nach dem Stauchen die Hohlform 6.16 vollständig ausfüllen.

[0032] In Fig. 7 sind verschiedene Querschnittsformen des eingesetzten Profilrohlinges analog zu den Abbildungen 6.a bis 6.f dargestellt. Die zugehörigen Rohlingsformen tragen die Nummern 1 bis 6.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Halbzeugen mit nichtrotationssymmetrischer Massenverteilung über den Halbzeugquerschnitt gesehen, durch Stauchen von langgestreckten Leichtmetallprofilen in einer teilbaren Form, ggf. nach einer vorherigen Wärmebehandlung,
dadurch gekennzeichnet,
daß vor oder bei Beginn des Stauchens ein Profilrohling am Ort der maximalen Knickbeanspruchung bzw. maximalen Auslenkung form- und/oder kraftschlüssig in der teilbaren Form fixiert und dann der Stauchvorgang unter Formänderung des Profilrohlings bis zur vollständigen Formfüllung durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Stauchvorgang in mehreren Stufen erfolgt , wobei in der ersten Stufe des Stauchvorganges ein Rohteil bzw. der Profilrohling eine Formänderung bzw. Auslenkung quer zur Stauchlängsachse erfährt und dabei an einer exzentrisch zur Stauchlängsachse angeordneten Rohteilfixierung verklammert wird,
daß in der zweiten Stufe der Stauchpreßdruck soweit erhöht wird, bis der Profilrohling den Formhohlraum quer zur Stauchrichtung vollständig ausfüllt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Profilrohling (11) gegen eine Anschlagfläche ausgelenkt wird, wobei der Außenbereich des ausgelenkten Rohlings im Anschlagbereich (14) verklammert und dann exzentrisch gestaucht wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine bleibende Auslenkung des Rohlings eingestellt wird, wobei das Ausmaß der Auslenkung so bemessen ist, daß der Rohling nicht in die zur Auslenkung entgegengesetzten Richtung ganz oder teilweise zurückspringt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Auslenkung in Form einer Querschnittsverdickung in der Mittelachse des Profilrohlings erfolgt, wobei die Querschnittsverdickung mehr als das Dreifache des Ausgangsprofilquerschnittes beträgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Profilrohling im Verformungsbereich eine mit der teilbaren Form abgestimmte und diese partiell ausfüllende, formschlüssige Kontur aufweist und daß der Profilrohling während des exzentrischen Stauchens in der Kontur verklammert wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Profilrohling vor dem Stauchen einer lokalen Wärmebehandlung unterworfen wird, wobei der eingestellte Temperaturbereich der für den jeweiligen Werkstoff üblicherweise verwendeten Warmumformtemperatur und der erforderlichen Umformung angepaßt ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Profilrohling ein Strangpreßerzeugnis eingesetzt wird, wobei der Stauchvorgang in Faserrichtung des Strangpreßerzeugnisses verläuft.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Strangpreßerzeugnis aus einer Al-Legierung vom Typ AlMgSi besteht.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Profilrohling bereits vor dem Stauchen vorgeformt ist, wobei die Vorform Kanten, Vorsprünge oder Hinterschneidungen aufweist und in eine entsprechende Negativform eines geteilten Ober- und Unterwerkzeuges (10a, b) des Gesenks (10) eingelegt und dort gestaucht wird.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bestehend aus einem geteilten Ober- und Unterwerkzeug (10a, b) des Gesenks (10) mit einer führungsgebenden Werkzeugzone (10c) und einer formgebenden Gravur (10d) des Gesenks(10), wobei in der formgebenden Gravur (10d) des Gesenks (10) mindestens eine Vertiefung oder Nut (13) zur Verklammerung des Profilrohlings (11) wahrend des Stauchens angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die formgebende Gravur des Gesenks (42) im wesentlichen die angestrebte Massenverteilung eines Schmiedehalbzeuges beinhaltet, wobei im Verformungsbereich (48) des Profilrohlings (41) umlaufende Vertiefungen oder Nuten (43) und im Gesenk (42) klammerartige Ausbuchtungen (44) in den Innenbereich des Gesenkes (42) eingearbeitet sind.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß gegenüber der Vertiefung oder Nut (13, 43) ein Expansionsraum (12, 55) angeordnet ist, der die gestauchte Masse des Profilrohlings (11, 41) aufnimmt.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Expansionsraum (12) ein Schieber (18) zur gelenkten Expansion der Stauchmasse angeordnet ist, wobei der Schieber aus seiner Anfangsstellung erst nach der Füllung der Vertiefung oder Nut (13) bzw. nach Erzeugung eines Gegendruckes zurückweicht.

15. Halbzeug, hergestellt nach einem der Ansprüche 1 - 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß es eine nichtrotationssymmetrische Massenverteilung über den Querschnitt gesehen, aufweist, wobei in der dem Hauptmassenanteil gegenüberliegenden Querschnittsbereich eine Vertiefung oder Nut (13) angeordnet ist.

Zeichnung