Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 19 zum Umformen eines im Wesentlichen flächigen Rohlings aus Metall zu einem dünnwandigen Schalenkörper sowie deren Verwendung. Ein solches Verfahren, bzw. eine solche Vorrichtung ist der
Derartige Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von Schalenkörpern aus im Wesentlichen flächigen Rohlingen, Ronden oder derartigen Blechtafeln sind allgemein bekannt, weisen allesamt aber eine Reihe von zum Teil erheblichen Nachteilen auf.
Beim Bodenpressen wird eine ebene Ronde auf einem Ziehring positioniert und mittels eines Stempels, der die Form der Innenkontur des Schalenkörpers aufweist, von oben mittig durch den Ziehringspalt gepresst. Dabei wird stets ein Ausgangsmaterial verwendet, das im Verhältnis zum Schalendurchmesser ausgesprochen dickwandig ist. Bei der Umformung von Schalenformen mit kleinem Wanddicken-Durchmesser-Verhältnis bilden sich Falten im Blech. Mit dem Bodenpressen lassen sich daher keine dünnwandigen endkonturgerechten metallischen Bauteile herzustellen. Um gewünschte Endwanddicken zu erhalten, ist vielmehr eine Nachbearbeitung durch Drehen oder Fräsen erforderlich.
Beim konvexen Drücken wird eine runde Platte, die im Pol bzw. Drehzentrum gegen eine rotierende, konvex geformte Drückform fixiert ist, mittels einer Umformrolle gegen die Drückform gedrückt und zu einem Schalenkörper umgeformt. Die Umformung erfolgt immer von der mittigen Einspannung aus. Mittels des konvexen Drückens, wie beispielhaft in der
Beim konkaven Gegenformdrücken wird eine vorgeformte runde Schale, die im Pol bzw. Drehzentrum gegen eine rotierende, konkav geformte Drückform fixiert ist, mittels einer Umformrolle gegen diese gedrückt und von der Innenseite rotationssymmetrisch umgeformt. Wie beispielhaft aus der
Beim Kugelstrahlumformen werden einzelne, elastisch vorgekrümmte Bauteile, durch Beschuss mit kleinen Kugeln, zu sphärisch gekrümmten Segmenten eines Schalenkörpers umgeformt und einschließlich Polkappe zu einem meist großen Schalenkörper verschweißt oder vernietet. Obgleich sich das Kugelstrahlumformen, wie zum Beispiel in der
Beim Gegenrollendrücken wird weiterhin eine rotierende, am Rand eingespannte Ronde, durch eine Innenrolle und durch eine Gegenrolle umgeformt. Damit können schwierig umformbare Werkstoffe im Wesentlichen mittels Druckkräften umgeformt werden. Diese entstehen beim Zusammenwirken der zwei einander gegenüberliegenden Rollen, sobald der rotierende Schalenkörper belastet und damit umgeformt wird. Durch aufgeprägte Druckspannungen wird die Verformbarkeit von Werkstoffen verbessert.
Beim Gegenrollendrücken, das zum Beispiel in der
Beim konkaven Drücken schließlich, das beispielhaft in der
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umformen bzw. Verformen eines im Wesentlichen flächigen Rohlings aus Metall zu einem dünnwandigen Schalenkörper zur Verfügung zu stellen, mit welchem bzw. welcher sich die obigen Nachteile vermeiden lassen, welches bzw. welche mithin eine weitaus verbesserte wirtschaftliche Nutzung, insbesondere auch aufgrund von in der Luft- und Raumfahrt besonders stark wachsenden Anforderungen, bei gleichzeitig hoher Maßhaltigkeit, geringem Gewicht und hoher Festigkeit ermöglicht/ermöglichen, sowie deren Verwendung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird in verfahrenstechnischer Hinsicht auf überraschend einfache Weise durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Durch die Ausgestaltung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 ist eine Herstellungsweise vorgeschlagen, welche durch eine wesentlich verbesserte Ausnutzung vorhandener Wärme- und Kraftpotentiale zu einer erheblichen Reduzierung von Energiekosten und einer damit einhergehenden Zeitersparnis zu einer hohen Wirtschaftlichkeit führt. Gleichzeitig ist eine ausgesprochen große Form- und Maßgenauigkeit des hergestellten dünnwandigen Schalenkörpers bei gleichzeitiger Gewichtsersparnis und Erhöhung der Festigkeit sowie der Belastungsgrenzen ermöglicht. Ganz wesentliche Bedeutung kommt dabei der Anlegung eines Vakuums und der definierten Evakuierung der Formkammer zu, wobei der Begriff "Vakuum" nachfolgend terminologisch gleichermaßen ein Grobvakuum wie ganz allgemein einen Unterdruck einschließt. So lässt sich das Verformen bzw. Umformen oder konkave Drücken bei Unterdruck unterstützen und erheblich beschleunigen. Der Unterdruck bewirkt zugleich, dass der Rohling aufgrund der Druckdifferenz zwischen Umgebungsdruck an dessen Vorderseite und Unterdruck an dessen Rückseite gespannt und infolgedessen in Richtung der späteren Endgeometrie hin zu einem dünnwandigen Schalenkörper gezogen bzw. leicht in die Formkammer gedrückt wird. Der Unterdruck gleicht in vorteilhafter Weise eventuell auftretende Materialverschiebungen infolge unterschiedlicher Spannungsverhältnisse innerhalb des Rohlings bei dessen Verformung bzw. Umformung oder bei dessen konkaven Drücken zu einem dünnwandigen Schalenkörper aus. Durch das Anlegen eines Vakuums an die von dem Rohling abschließende Formkammer und durch das definierte Evakuieren dieser Kammer ergeben sich noch weitere wesentliche Vorteile. So können die Einspannkräfte, die auf den zu verformenden bzw. umzuformenden oder zu drückenden Rohling in der Tragstruktur wirken, erhöht werden. So können auch in den Rohling Spannungen, die proportional zur wirksamen Druckdifferenz zwischen dem an der Vorderseite des Rohlings herrschenden Umgebungsdruck und dem an der Rückseite des Rohlings herrschenden Unterdruck in der Formkammer sind, induziert werden. Diese Spannungen unterstützen und beschleunigen vor allem in zeitlicher Hinsicht das Verformen bzw. Umformen oder konkave Drücken erheblich. Gleichzeitig lässt sich ein anderes Problem verhindern, jedenfalls vermindern. So wird eine von dem Umformwerkzeug vorgetriebene Materialwelle des Rohling abgebaut, da sich deren Höhe unter dem Einfluss der durch das Vakuum bzw. den Unterdruck induzierten Spannungen in dem Rohling reduzieren lässt. Mit der Evakuierung der Formkammer einerseits und der bzw. dem damit einhergehenden beschleunigten Verformung bzw. Umformung oder konkaven Drücken des Rohlings zu einem dünnwandigen Schalenkörper andererseits lässt sich nicht zuletzt eine allgemein auftretende Oxidation vermindern.
Weitere vorteilhafte konstruktive Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 18 beschrieben.
In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorteilhaft der Rohling nach Anspruch 2 über wenigstens eine der Formkammer zugeordnete Einrichtung zur Erwärmung und/oder Aufheizung des Rohlings auf ein erhöhtes Temperaturprofil gebracht.
In vorteilhafter Weise wird der Rohling des Weiteren nach Anspruch 3 über wenigstens eine der Formkammer zugeordnete Einrichtung zur Wärmedämmung und/oder wenigstens eine der Formkammer zugeordnete Einrichtung zur Wärmerückstrahlung auf einem erhöhten Temperaturprofil gehalten. Während einer Warmumformung kommt es vornehmlich darauf an, dass einmal eingestellte Temperaturverhältnisse bzw. ein einmal erreichtes erhöhtes Temperaturprofil des Rohlings im Rahmen enger Toleranzen verbleiben, so dass der Heizenergiebedarf, insbesondere auch bei dünnwandigen Rohlingen bzw. Schalungskörpern, möglichst ohne größeren Regelungsaufwand konstant und vor allem kleingehalten werden kann. Zu diesem Zweck werden Wärmeverluste des Rohlings bzw. späteren Schalenkörpers in der Formkammer dadurch reduziert, dass Konvektionsverluste durch Absaugen der Luft über die Einrichtung zur definierten Evakuierung der Formkammer einerseits und Leitungs- sowie Strahlungsverluste durch die Auskleidung der Formkammer mit wärmedämmendem Material und durch die Bespannung der Formkammer mit spiegelnden (Multiscreen-)Reflektorfolien weitestgehend unterbunden werden können.
Zur Vermeidung, zumindest zur Einschränkung einer Oxidation, welcher der Rohling gerade bei Wärmezufuhr ausgesetzt ist, wird der Rohling nach Anspruch 4 vorteilhaft über eine in der Formkammer angeordnete oder mit der Formkammer kommunizierende Einrichtung mit Schutzgas beaufschlagt.
Von besonderer Bedeutung für eine vereinfachte und beschleunigte Herstellung eines dünnwandigen Schalenkörpers aus einem im Wesentlichen flächigen Rohling sind die Maßnahmen des Anspruchs 5. Danach wird der Rohling über eine in der Formkammer angeordnete, perforierte Gegenform zu dem dünnwandigen Schalenkörper verformt. Die perforierte Gegenform dient mithin der Anlage und Abstützung des Rohlings bzw. späteren dünnwandigen Schalenkörpers, nachdem die Formkammer ausreichend evakuiert wurde.
Bei Rohlingen von größerer Wanddicke oder mit komplizierter Meridiangeometrie ist es von besonderem Vorteil, das erfindungsgemäße Verfahren zum Verformen bzw. Umformen oder Drücken unter Einsatz von Vakuum durch die technischen Merkmale des Anspruchs 6 zu unterstützen. Demnach wird der Rohling über wenigstens ein die Vorderseite des Rohlings beaufschlagendes Umformwerkzeug zu dem dünnwandigen Schalenkörper ähnlich bzw. entsprechend dem Prinzip des "konkaven Drückens" verformt. Als Umformwerkzeug kann dabei wenigstens eine Umform- oder Drückrolle und/oder eine Drückkugel, die dann vorzugsweise hydrostatisch gelagert ist, Verwendung finden. Dabei werden der Rohling und das wenigstens eine Umformwerkzeug relativ zueinander bewegt, insbesondere gedreht.
In diesem Zusammenhang hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, auf die Maßhaltigkeit des Rohlings und späteren dünnwandigen Schalenkörpers während des Verformens bzw. Umformens oder konkaven Drückens entsprechend den Maßnahmen des Anspruchs 7 dadurch Einfluss zu nehmen, dass das die Vorderseite des Rohlings beaufschlagende Umformwerkzeug abweichend von der bisherigen Handhabung relativ zum Rohling vom Umfang zur Mitte des Rohlings und/oder ebenso von der Mitte zum Umfang des Rohlings geführt wird. Durch eine solche gegebenenfalls wahlweise wechselnde Führung lassen sich insbesondere störende Einflüsse infolge starker Rückfederung des Rohlings in dessen Polbereichen verbessert beherrschen und frühzeitig reduzieren. Zudem ergibt sich auf diese Weise die Möglichkeit, den Rohling in dessen Polbereich mit besonders flachen Formen, wie sie häufig zum Beispiel in der Luft- und Raumfahrt zur Anwendung kommen, zu erzeugen. Darüber hinaus lassen sich mit einer solchen Führung deutlich verkürzte Verfahrwege des Umformwerkzeuges erreichen. Die Folge nicht zuletzt hieraus resultierend ist eine deutliche Zeitersparnis insgesamt. Grundsätzlich kann also die räumliche Bewegung des wenigstens einen Umformwerkzeuges relativ zum Rohling spiralförmig von innen nach außen oder umgekehrt von außen nach innen verlaufen, immer aber auf reinen Großkreisen und kinematischen Kombinationen daraus, die zur gewünschten Geometrie des dünnwandigen Schalenkörpers führen. Eine Relativbewegung zwischen Rohling und Umformwerkzeug kann aber auch schrittweise mit jeweils angepasster Anstellung und in beliebigen Kombinationen der jeweiligen Grundbewegungen erfolgen, um eine gewünschte Geometrie zu erzeugen.
Einer weitergehenden Erhöhung der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichbaren Maßhaltigkeit dienen vorteilhaft die Merkmale des Anspruchs 8, wonach das die Vorderseite des Rohlings beaufschlagende Umformwerkzeug geregelt und/oder gesteuert wird. Die Endgeometrie des dünnwandigen Schalenkörpers lässt sich dabei durch die Meridiankurve einer (Blech-)Schablone bzw. durch Einprogrammierung der Meridiankurve der (Blech-)Schablone in eine NC-Steuerung definieren. Dadurch ist der Vorschub des Umformwerkzeuges parallel zur zentralen Drehachse des Rohlings in Abhängigkeit des Radius festgelegt und begrenzt, und zwar unter gleichzeitiger Berücksichtigung des Rückfederverhaltens des Materials. Nachträgliche Geometrieänderungen oder Geometrieanpassungen für anders geformte Schalenkörper sind ohne hohen Zeit-, Personal- und damit einhergehend Kostenaufwand möglich, nachdem lediglich die Schablone bzw. die NC-Steuerung für das Umformwerkzeug verändert werden muss.
In weiter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Rohling nach Anspruch 9 in ganz vorteilhafter Weise vor dem Verformen zu dem dünnwandigen Schalenkörper aus wenigstens zwei gesonderten Flächenelementen gebildet, die miteinander insbesondere mittels Wolfram-Inertgas (TIG)-, Metall-Inertgas (MIG)-, Rührreib (FSW)-, Elektronenstrahl (EB)-, Laser-, Plasmaschweißen oder jedem anderen geeigneten Schweißverfahren zu einer Einheit zusammengefügt werden.
In diesem Zusammenhang ist es von besonderer Bedeutung, dass der Rohling nach Anspruch 10 vor dem Verformen zu dem dünnwandigen Schalenkörper weichgeglüht wird. Das Verformen bzw. Umformen oder konkave Drücken lässt sich umso einfacher und sicherer durchführen, je weicher und duktiler sich das Material verhält. Soweit der zu verformende bzw. umzuformende oder zu drückende Rohling aus mehreren gesonderten Flächenelementen zusammengesetzt ist, ist das Weichglühen zum Abbau innerer Spannungen und schweißbedingter Unterschiede in der Formänderungsfestigkeit von Vorteil.
Darüber hinaus sind die konstruktiven Maßnahmen des Anspruchs 11 für den Erhalt einer gewünschten Endwanddicke des dünnwandigen Schalenkörpers von besonderem Interesse. Demnach wird der Rohling vor dem Verformen zu dem dünnwandigen Schalenkörper durch Spanabhebung, insbesondere durch Drehen, Fräsen und/oder Schleifen, vorkonturiert, also mit einer vorbestimmten Wanddickenverteilung im ebenen Zustand versehen. Bedingt durch die starre Einspannung des Rohlings an dessen Umfang ist das für die Formänderung bzw. Oberflächenvergrößerung des Rohlings erforderliche Material aus der Ausgangsdicke heraus abzustrecken. Dies führt bei vorgegebener Bauteilform und werkstoffspezifischen, umformtechnisch relevanten Materialeigenschaften zu einer typischen meridionalen Wanddickenverteilung, wobei verfahrensbedingt die Wanddicken des Rohlings in dessen Polbereich sowie an dessen Umfang erhalten bleiben. Durch Vorkonturieren der Ausgangsdicke vor dem Verformen lässt sich die Endwanddicke des dünnwandigen Schalenkörpers exakt einstellen. Wenn der Rohling aufgrund seiner Ausmaße bzw. Abmessungen aus mehreren gesonderten Flächenelementen zusammengeschweißt ist, kann die Wanddickenverteilung im Bereich der Schweißnähte zudem entsprechend gewählt werden.
Von besonderem Vorteil hat sich in der Praxis erwiesen, die Konturierung des Rohlings nach Anspruch 12 zweckmäßigerweise auf dessen Rückseite zu versehen. Hierdurch ist sichergestellt, dass das Umformwerkzeug mit der unkonturierten, glatten Vorderseite des Rohlings in Berührung bzw. Kontakt kommt, sofern ein solches Umformwerkzeug überhaupt erforderlich ist.
Gleichermaßen kann der Rohling entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 13 vor dem Verformen und/oder vor dem Recken zu dem dünnwandigen Schalenkörper durch Spanabhebung, insbesondere durch Drehen, Fräsen und/oder Schleifen, mit Durchbrüchen, Perforationen oder dergleichen Ausnehmungen, insbesondere im Polbereich des Rohlings versehen werden. Bei einem Schalenkörper, der vor dem Lösungsglühen im Polbereich perforiert wird, um einen problemfreien schnellen Kühlmittelabfluss beim Abschrecken desselben zu gewährleisten, kann das Recken dabei unter Mithilfe des Vakuums erfolgen, wenn die Durchbrüche, Perforationen oder dergleichen Ausnehmungen vor dem Recken, das im kalten Zustand durchgeführt wird, vakuumdicht verschlossen werden. Zu diesem Zweck sind Abdeckungen vorgesehen, welche für eine zeitweise vakuumdichte Versiegelung sorgen. Beispielsweise sind als solche Abdeckungen aufgeklebte Folien aus Kunststoff geeignet. Um den Abdeckungen einen größeren Halt zu geben, sind die Durchbrüche, Perforationen oder dergleichen Ausnehmungen vorzugsweise klein, dafür aber umso zahlreicher ausgebildet. Damit können die Abdeckungen selbst bei größeren Unterdrücken sicher auf den dazwischen liegenden Stegen abgestützt haften bleiben.
Die Maßnahmen der Ansprüche 14 bis 17 dienen in ganz vorteilhafter Weise der weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Gerade wenn der Rohling aus Metall, insbesondere aus Aluminium oder einer, gegebenenfalls aushärtbaren, Aluminiumlegierung, wie zum Beispiel A1 2219 oder A1 2195, besteht, wird in aller Regel eine optimale Vergütung angestrebt, um einen Zustand T8 in den Materialeigenschaften zu erreichen. Ausgehend von einem weichgeglühten, gegebenenfalls bereits vorkonturierten oder sonstwie vorgeformten Rohling wird vorteilhaft der Rohling entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren eingespannt und durch Vordrücken umgeformt. Dabei sind, je nach Geometrie, lokale Umformgrade von über 50 % hinsichtlich Wanddickenreduktion, und von über 60 % hinsichtlich Längung in meridionaler Richtung, realisierbar. Danach wird der Rohling, jedenfalls der erst halbfertige dünnwandige Schalenkörper auf der Tragstruktur, oder abgespannt im Ofen einer Zwischenwärmebehandlung zugeführt. Eine solche Zwischenwärmebehandlung umfasst ein Lösungsglühen und ein Abschrecken. Sodann wird der Rohling, jedenfalls der erst halbfertige dünnwandige Schalenkörper, erneut eingespannt und durch gleichmäßiges Recken fertig umgeformt. Zusätzliches Werkzeug ist nicht erforderlich. Vielmehr wird die Verformung bzw. Umformung oder das konkave Drücken über die Steuerung des Endvakuums und/oder des Umformwerkzeuges definiert. Nach dem Recken folgt nur mehr ein Warmauslagern auf der Tragstruktur, oder im Ofen, damit der Zustand T8 erreicht wird. Der Zustand T8 ist der zur Zeit maximal erreichbare Zustand bei aushärtbaren Aluminiumlegierungen, die häufig für Treibstofftanks von Raketen zur Anwendung kommen.
Schließlich ist zur weiteren Erhöhung der erreichbaren Maßhaltigkeit vorteilhaft noch vorgesehen, den Rohling nach Anspruch 18 beim Verformen zu dem dünnwandigen Schalenkörper kontinuierlich zu vermessen. Eine solche geometrische Vermessung des Rohlings kann beispielsweise automatisch mittels eines, gegebenenfalls berührungslosen und einschwenkenden, Messsystems durchgeführt werden. Über einen regelungs- und/oder steuerungstechnisch erfolgten Soll-Ist-Vergleich lässt sich das Vakuum und/oder die Bewegung des Umformwerkzeuges automatisch anpassen, um Abweichungen von der geforderten Form des Rohlings zu kompensieren. Maßabweichungen, wie zum Beispiel Unrundheiten, werden auf diese Weise ausgeglichen bzw. eliminiert. Die Maßgenauigkeit des letztlich hergestellten, dünnwandigen Schalenkörpers wird wesentlich erhöht. Zugleich können auch rotationssysmmetrische wie nicht rotationssymmetrische Materialeigenschaften kompensiert werden.
Diese Aufgabe wird weiterhin in vorrichtungstechnischer Hinsicht auf überraschend einfache Weise durch die Merkmale des Anspruchs 19 gelöst.
Durch die Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß Anspruch 19 ist eine besonders einfache, zudem kompakte wie zugleich stabile Bauweise insgesamt erreicht. Zudem lassen sich mit der Vorrichtung nach der Erfindung die zugeführten Wärme- und Kraftpotentiale gegenüber dem bisherigen Stand der Technik erheblich besser ausnutzen. Nicht zuletzt hieraus resultierend ergeben sich weitaus reduzierte Energie- und damit Herstellungskosten für den jeweiligen dünnwandigen Schalenkörper insgesamt. Von besonderer Bedeutung sind die Einrichtung zum abgedichteten Einspannen des Rohlings einerseits und die der Formkammer zugeordnete sowie mit der Formkammer kommunizierende Einrichtung zum Anlegen eines Vakuums und Evakuieren der Formkammer selbst. Demnach lässt sich das Verformen bzw. Umformen oder konkave Drücken des Rohlings zu einem dünnwandigen Schalenkörper bei Unterdruck unterstützen und bedeutsam beschleunigen. Die zu erzielende Zeitersparnis ist beträchtlich. Nicht zuletzt hieraus resultierend lässt sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine ausgesprochen hohe Wirtschaftlichkeit erhalten. Gleichzeitig kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine besonders hohe Maßhaltigkeit der aus einem Rohling zu einem dünnwandigen Schalenkörper zu verformenden Formteile erhalten werden. Durch die Verwendung einer Vakuumkammer ist es weiterhin möglich, die Einspannkräfte, die auf den Rohling (ein)wirken, zu erhöhen und konvektive Wärmeverluste beim Einsatz von Wärme zu reduzieren. Darüber hinaus unterstützt der Unterdruck das durch das Umformwerkzeug bewirktet Verformen bzw. Umformen oder konkave Drücken. Ein gegebenenfalls noch nicht umgeformter Materialbereich wird durch den Unterdruck in Richtung der neuen Form des dünnwandigen Schalenkörpers gezogen, wodurch sich zugleich eine eventuell vor dem Umformwerkzeug aufbauende Welle reduzieren lässt. Eventuelle auftretende Materialverschiebungen infolge unterschiedlicher Spannungsverhältnisse innerhalb des Rohlings bei dessen Verformung bzw. Umformung oder konkaven Drücken zu einem dünnwandigen Schalenkörper werden durch den Unterdruck vorteilhafterweise ausgeglichen. Dadurch ist es möglich, die einzelnen Schritte zum Verformen bzw. Umformen oder konkaven Drücken zu vergrößern bzw. bei einzelnen Schritten den Umformgrad zu erhöhen und somit die Anzahl der erforderlichen Arbeitsschritte insgesamt zu vermindern. Bei der durch Vakuum unterstützten Umformung vermindert sich unter sonst gleichen Bedingungen zugleich die für das Umformwerkzeug erforderliche Antriebsleistung, was sich wiederum in Herstellungs- und Betriebskosten positiv niederschlägt. Besondere Bedeutung kommt dabei auch einem weiteren Aspekt zu, wonach nämlich eine Oxidation von Werkstoffen beim Verformen bzw. Umformen oder konkaven Drücken infolge der Anlegung des Vakuums bzw. Evakuierung der Formkammer verhindert, zumindest vermindert werden kann. Ein Aufwand für spätere Reinigungsarbeiten der Oberfläche reduziert sich entsprechend. Im Ergebnis vermindert sich wiederum der erforderliche Zeitaufwand ganz erheblich.
Weitere vorteilhafte konstruktive Einzelheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Ansprüchen 20 bis 50 beschrieben.
Demnach ist es vorteilhaft, die Tragstruktur zur Bildung der Formkammer nach Anspruch 20 im Wesentlichen becher-, topf-, schüssel-, kegel-, kegelstumpf- oder dergleichen ―hohlförmig auszubilden.
Von ganz besonders großer Bedeutung für eine einfache, effektive und effiziente Bauweise sind die Merkmale des Anspruchs 21. Danach weist die Tragstruktur der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorteilhaft wenigstens eine zur Formkammer abstrahlende Einrichtung zur Erwärmung und/oder Aufheizung des Rohlings auf, die insbesondere als eine elektrisch betriebene Lichtlampenheizung, Infrarotstrahlungsheizung, Induktionsheizung oder Kreislaufheizung mit einem umlaufenden Wärmeträger, vorzugsweise Wasser, Ö1, Salzschmelze oder Natrium, ausgebildet ist. Die Erwärmung und/oder Aufheizung des Rohlings erfolgt vorteilhaft auf diese Weise durch die Vorrichtung selbst und nicht entsprechend dem Stand der Technik von außerhalb, wenngleich auch weitere äußere Wärmequellen hinzugezogen werden könnten. Dies ist insoweit sehr vorteilhaft, als sich damit nicht nur der gesamte Energiebedarf des herzustellenden dünnwandigen Schalenkörpers effektiv minimieren, sondern auch der Zeitbedarf für dessen Erwärmung und/oder Aufheizung reduzieren lässt. Soweit Strahlungsquellen verwendet werden, ist es zweckmäßig, diese großflächig zu verteilen, um eine weitgehend gleichmäßige Temperaturverteilung über den Rohling und späteren Schalenkörper zu realisieren. Gegen vereinzelte Temperaturerhöhungen oder sogenannte Hotspots auf dem Schalenkörper hilft eine reduzierte Strahlertemperatur und/oder ein ausreichender Abstand zwischen Strahler und Rohling selbst. Als Strahler können zum Beispiel elektrisch erhitzende Widerstände oder elektrisch beheizbare, großflächige Radiatoren eingesetzt werden, die mit einem geeigneten Wärmeträger gefüllt sind. Bei ferromagnetischen Materialien ist alternativ zum Beispiel eine Induktionsheizung möglich. Durch entsprechende Optimierung lässt sich somit nicht nur der Wärmebedarf, sondern vor allem die Maschinenbelegungszeit absenken.
Einer noch weitergehenden Einsparung von Wärme und Energie sowie damit zusammenhängenden Kosten und einer zusätzlichen Verbesserung von Wirkungsgrad und Wirtschaftlichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung dienen in vorteilhafter Weise die Maßnahmen der Ansprüche 22 bis 24. Demgemäß weist die Tragstruktur wenigstens eine der Formkammer zugeordnete Einrichtung zur Wärmedämmung und/oder wenigstens eine der Formkammer zugeordnete Einrichtung zur Wärmerückstrahlung, insbesondere eine spiegelnde (Multiscreen-)Reflektorfolie, und/oder eine Einrichtung zur aktiven Kühlung auf. Einerseits lässt sich hierdurch die dem Rohling und dem späteren Schalenkörper zugeführte Wärme und Energie optimiert ausnutzen. Andererseits wird die Tragstruktur der erfindungsgemäßen Vorrichtung damit vor hohen Wärmebelastungen geschützt.
Zur Verhinderung, jedenfalls Begrenzung der Oxidation der Oberfläche des Rohlings ist der Tragstruktur nach Anspruch 25 bevorzugt eine Einrichtung zur Beaufschlagung des Rohlings mit Schutzgas zugeordnet, die insbesondere in der Formkammer angeordnet ist oder mit der Formkammer zu dessen Zufuhr kommuniziert.
Zur Verbesserung der Überwachung des Verform- bzw. Umform-oder Drückvorganges ist der Tragstruktur und/oder dem Rohling nach Anspruch 26 in vorteilhafter Weise eine Einrichtung zur punktuellen und/oder großflächigen Überwachung der Temperatur der Formkammer und/oder des Rohlings zugeordnet, beispielsweise in Form von Thermoelementen und kumulativ oder alternativ einer Wärmebildkamera. Auf diese Weise können Anomalien schneller festgestellt und anschließend abgestellt werden, bevor der Rohling oder der Schalenkörper Schaden nehmen kann.
Vorzugsweise umfasst die Einrichtung zum Einspannen des Rohlings nach Anspruch 27 einen Drückring, einen Spannring und einen Dichtring zwischen Drückring und Spannring, wodurch eine vollständige Abdichtung der der Formkammer zugewandten Rückseite des Rohlings gegenüber der der Formkammer abgewandten Vorderseite des Rohlings sichergestellt ist.
Weiterhin ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Tragstruktur nach Anspruch 28 mit einer Einrichtung zur Reduzierung von radialen Wärmedehnungen zwischen dem Rohling und der Einrichtung zum Einspannen des Rohlings ausgestattet ist.
In diesem Zusammenhang kann die Einrichtung zum Einspannen des Rohlings nach Anspruch 29 gegenüber der Tragstruktur relativ radial und/oder umfangsmäßig verschiebbar oder sonstwie flexibel ausgestaltet sein. Ohnehin lässt sich ein Teil unzulässigen thermischen Verzugs in dem Rohling bzw. endgefertigten Schalenkörper in Form von Spannungen durch Rückfederung aufnehmen. Infolgedessen sind Relativbewegungen des Rohlings bzw. Schalenkörpers während des Erwärmens bzw. Aufheizens ermöglicht.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, dass der Tragstruktur der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Anspruch 30 eine in der Formkammer angeordnete, perforierte Gegenform zugeordnet ist, welche zur Anlage und Abstützung des zu dem dünnwandigen Schalenkörper zu verformenden Rohlings vorgesehen ist.
In weiterer Ausgestaltung ist vorteilhaft entsprechend Anspruch 31 vorgesehen, dass wenigstens ein der Tragstruktur zugeordnetes, die Vorderseite des Rohlings beaufschlagendes Umformwerkzeug als eine oder mehrere Umform- oder Drückrolle/n und/oder Drückkugel/n ausgebildet sein kann. Vorzugsweise ist eine/sind derartige Drückkugel/n dann hydrostatisch gelagert. Ein Vorteil einer Drückkugel gegenüber einer Drückrolle ist deren vereinfachte Bauweise bzw. Handhabung insgesamt. Demnach entfällt bei einer Drückkugel der gesamte bauliche Aufwand für die Artikulation der Drückrolle, eine Stellantriebseinrichtung für die Nachführung des Neigungswinkels etc. In jedem Fall aber lässt sich die Gestehungszeit für einen Schalenkörper aus einem im Wesentlichen flächigen Rohling durch Einsatz wenigstens eines zusätzlichen Umformwerkzeuges wesentlich verkürzen. Insbesondere wenn mehrere solcher Umformwerkzeuge gleichzeitig und synchron zum Einsatz kommen, beispielsweise auch zwei unterschiedlich eingestellte, d.h. radial und azimutal versetzte, Umformwerkzeuge, kann erheblich auf die Gestehungszeit eines Schalenkörpers Einfluss genommen werden.
Das wenigstens eine die Vorderseite des Rohlings beaufschlagende Umformwerkzeug ist entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 32 in vorteilhafter Weise schablonen- oder numerisch geregelt und/oder gesteuert.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, dass das wenigstens eine Umformwerkzeug, das die Vorderseite des Rohlings beaufschlagt, nach Anspruch 33 in dessen Anstellung individuell einstellbar ist.
Als durchaus zweckmäßig hat sich erwiesen, dass das wenigstens eine die Vorderseite des Rohlings beaufschlagende Umformwerkzeug nach Anspruch 34 von einer Traverse aufgenommen ist, welche der Tragstruktur zugeordnet ist, wobei Tragstruktur zusammen mit dem Rohling und Traverse zueinander relativ bewegbar, insbesondere drehbar, sind.
Es ist von besonderem Vorteil, dass die Tragstruktur und das wenigstens eine Umformwerkzeug nach Anspruch 35 zueinander relativ drehbar ausgebildet sind.
Von besonderem Interesse sind dabei die Merkmale des Anspruchs 36, wonach die Tragstruktur zusammen mit dem auf ihr aufgespannten Rohling drehbar ausgebildet ist und das wenigstens eine Umformwerkzeug nur entlang eines ortsfesten Meridians zweidimensional bewegbar ist.
In diesem Zusammenhang ist es nach Anspruch 37 vorteilhaft, dass die Tragstruktur zusammen mit dem Rohling um eine zentrale Drehachse der Tragstruktur über eine Antriebseinrichtung drehbar ist, während das wenigstens eine Umformwerkzeug über zwei Stellantriebseinrichtungen auf einer raumfesten Meridiankurve zweidimensional bewegbar ist. Das wenigstens eine Umformwerkzeug bewegt sich somit nicht auf Kreisen bzw. Spiralbahnen, sondern lediglich auf einer raumfesten Meridiankurve. Es wird zweidimensional von einer (Blech)Schablone oder einer NC-Steuerung geführt. Auf den Rohling bezogen resultiert aus der Überlagerung der Rotation der Tragstruktur zusammen mit dem Rohling und der Bewegung des Umformwerkzeuges eine räumliche Spiralbewegung.
In einer vorteilhaften alternativen Ausgestaltung der Vorrichtung nach Anspruch 38 kann auch die Tragstruktur zusammen mit dem Rohling ortsfest ausgebildet sein und kann das wenigstens eine Umformwerkzeug drehbar ausgebildet sein. Eine solche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist von Vorteil, wenn der Rohling oder spätere dünnwandige Schalenkörper große Abmessungen, insbesondere einen großen Durchmesser, aufweist.
Entsprechend den Maßnahmen des Anspruchs 39 ist das wenigstens eine Umformwerkzeug in diesem Fall zweckmäßigerweise an einer sich über die Tragstruktur zusammen mit dem Rohling diametral erstreckenden und in einer Schienenanordnung oder dergleichen geführten Traverse angeordnet, um eine zentrale Drehachse über eine Antriebseinrichtung der Traverse drehbar und über zwei Stellantriebseinrichtungen auf einer Meridiankurve relativ zur Traverse bewegbar. Auf diese Weise wird nicht die zumeist schwere Tragstruktur zusammen mit dem Rohling um eine zentrale Drehachse mittels einer Antriebseinrichtung rotiert, sondern die Traverse mit dem wenigstens einen Umformwerkzeug samt Rollenführung. Die Rollenführung und erforderlichen Stellantriebseinrichtungen sind an der Traverse angeordnet, die sich diametral und mit Abstand zum Rohling über diesen spannt. Die Traverse ist beidseits über eine Schienenanordnung, zum Beispiel in Schienen oder dergleichen, geführt und kreist während der Verformung bzw. Umformung oder des konkaven Drückens mit wenigstens einem Umformwerkzeug über dem Rohling. Um ein Abheben der Traverse aus der Schienenanordnung zu vermeiden, ist eine spezielle Prismenführung vorgesehen. Das Umformwerkzeug bewegt sich wiederum relativ zur Traverse auf einer Meridiankurve, also zweidimensional. Dementsprechend sind für jedes Umformwerkzeug jeweils zwei schablonen- oder NC-gesteuerte Stellantriebseinrichtungen für die vertikale und radiale Bewegung bzw. Auslenkung vorgesehen. Aus Gründen der Stabilität kann die Traverse eine ausreichend breite Auflagerfläche, gegebenenfalls unter Verwendung von Querstützen oder dergleichen, besitzen, um zum Beispiel ohne weiteres Notstops bei hohen Drehgeschwindigkeiten abfangen zu können, ohne das zu große Querkräfte auf die Schienenanordnung der Traverse wirken.
In zweckmäßiger Weise ist die zentrale Drehachse der Tragstruktur oder der Traverse nach Anspruch 40 horizontal oder vertikal angeordnet. Die Wahl hängt meist von konstruktiven Gegebenheiten, wie zum Beispiel den verwendbaren Antriebsmöglichkeiten etc., ab. Je größer die Abmessungen von Rohling und Schalenkörper sind, um so eher sind Vorrichtungen mit vertikaler Drehachse bevorzugt.
Von ganz besonders großer Bedeutung für eine ungehinderte Einspannung des Rohlings in die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. Ausspannung des Schalenkörpers aus der Vorrichtung nach der Erfindung sind die vorteilhaften konstruktiven Maßnahmen der Ansprüche 41 bis 46. Auf diese Weise ist jeweils ein freier Zugang zur Tragstruktur der erfindungsgemäßen Vorrichtung gewährleistet.
Demnach ist die Traverse zum Wechsel eines Rohlings durch einen dünnwandigen Schalenkörper, und umgekehrt, nach Anspruch 41 aus umlaufenden Auflagern bzw. einem umlaufenden Schienenring bzw. von Schienen oder dergleichen lösbar und mittels eines Hebezeuges, zum Beispiel in Form eines Werkstattkrans, abhebbar, um seitlich von der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die nächste Be- bzw. Entstückung abgestellt werden zu können.
Alternativ dazu kann vorteilhaft ebenso vorgesehen sein, die Traverse zum Wechseln eines Rohlings durch einen dünnwandigen Schalenkörper, und umgekehrt, nach Anspruch 42 über Schienenweichen auf zwei geraden parallelen Schienen, die an einem Schienenring tangential anschließen, verfahrbar auszugestalten. Auf diese Weise lässt sich die Traverse zur Be- und anschließenden Entstückung in eine zeitweise Parkposition neben der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbringen.
Darüber hinaus ist es möglich, die Tragstruktur zum Wechsel eines Rohlings durch einen dünnwandigen Schalenkörper, und umgekehrt, nach Anspruch 43 hydraulisch absenkbar und seitlich verfahrbar auszuführen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann wiederum zeitweise zur Be- und Entstückung in eine seitliche Parkposition verbracht werden.
Bei einem weiteren Alternativvorschlag für einen Wechsel eines Rohlings durch einen dünnwandigen Schalenkörper, und umgekehrt, ist die Tragstruktur nach Anspruch 44 aus einer Öffnung im Schienenunterbau unterhalb eines Schienen oder dergleichen abstützenden Tragringes aus- und einfahrbar. Der Tragring für die Schienen oder dergleichen ist mithin oberhalb der Einrichtung zum Einspannen des Rohlings plaziert, so dass die Tragstruktur durch die Öffnung im Schienenunterbau ein- und ausgefahren werden kann. Dabei verbleibt die Traverse unbewegt in den Schienen oder dergleichen. Der Wechsel des Rohlings bzw. Schalenkörpers findet daher außerhalb des Schienenunterbaus statt. Zum Verformen bzw. Umformen oder konkaven Drücken wird die Tragstruktur samt Rohling in das Zentrum des Schienenunterbaus zurückgefahren, zentrisch ausgerichtet, arretiert und mit dem Vakuumanschluss sowie weiteren Versorgungsanschlüssen für elektrischen Strom und elektrische Signale verbunden.
Gemäß einer noch anderen vorteilhaften Ausgestaltung ist die Traverse nach Anspruch 45 auf zwei geraden parallelen Schienen oder dergleichen über der ortsfest angeordneten Tragstruktur linear hin- und herbeweglich geführt und nimmt das wenigstens eine Umformwerkzeug längs der Traverse hin- und herverschiebbar auf, derart, dass der Rohling durch das wenigstens eine Umformwerkzeug in Kreisen bzw. Spiralbahnen mit konstant bleibendem Neigungswinkel und in definierten Höhenpositionen beaufschlagbar ist. Die Traverse ist somit entlang zweier gerader, zueinander paralleler Schienen oder dergleichen über der Tragstruktur in klassischer Gantry-Konstruktion linear hin- und herbewegbar. Das wenigstens eine Umformwerkzeug ist an der Traverse angeordnet und in Längsrichtung zur Traverse geführt, derart, dass das Umformwerkzeug auf dem Rohling bzw. dem sich bildenden dünnwandigen Schalenkörper einen Kreis beschreibt, dessen Ebene sich senkrecht zur zentralen Drehachse erstreckt. Die dafür erforderliche Stellantriebseinrichtung muss synchron mit der Antriebseinrichtung der Traverse kooperieren, um die jeweiligen Sinus- bzw. Cosinus-Kurven genau durchlaufen zu können. Weitere Stellantriebseinrichtungen sind für die Einstellung der Höhenposition bzw. Drücktiefe und für die Neigung bzw. Artikulation des Umformwerkzeuges zur zentralen Drehachse vorgesehen.
Gleichermaßen ist eine kinematische Umkehr dessen denkbar, bei welcher die Tragstruktur nach Anspruch 46 auf zwei geraden parallelen Schienen oder dergleichen unter der ortsfest angeordneten Traverse linear hin- und herbeweglich geführt ist und die Traverse das wenigstens eine Umformwerkzeug längs der Traverse hin- und herverschiebbar aufnimmt, derart, dass der Rohling durch das wenigstens eine Umformwerkzeug in Kreisen bzw. Spiralbahnen mit konstant bleibendem Neigungswinkel und in definierten Höhenpositionen beaufschlagbar ist. Die Tragstruktur vollzieht mithin in einer linearen Schlittenführung eine Hin- und Herbewegung, während die gantryförmige Traverse ortsfest ausgestaltet ist.
Des Weiteren zeichnet sich eine vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 47 aus. Danach umfasst die Tragstruktur ein wärmegedämmtes, insbesondere mit Heizflächen versehenes, Abdeckelement oder eine derartige Deckplatte zur Abdeckung der der Formkammer abgewandten Vorderseite des Rohlings. Mit dem Abdeckelement oder eine derartige Deckplatte kann der zu verformende, zumeist kalte Rohling solange abgedeckt bleiben, bis dessen Temperatur durch Wärmezufuhr die Arbeitstemperatur erreicht. Insbesondere beim Hochfahren der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf Arbeitstemperatur lassen sich somit erhebliche Wärmeverluste des Rohlings und damit die Maschinenbelegungszeit insgesamt verringern. Das Abdeckelement oder eine derartige Deckplatte stellt neben einer einfachen Möglichkeit zur variablen Beheizung schließlich noch eine Reduzierung der Wärmeverluste und der Oxidation sicher.
Von zusätzlichem Vorteil sind die Maßnahmen des Anspruchs 48, wonach die Tragstruktur mit wenigstens einer der Formkammer zugeordneten, sicherheitstechnisch relevanten Einrichtung zum Schutz gegen äußere Einwirkungen durch gasförmige und/oder flüssige Kühlmittel, insbesondere Inertgas, vorzugsweise Argon oder Stickstoff, oder Wasser, versehen ist. Zum Abschrecken des Rohlings bzw. dünnwandigen Schalenkörpers wird stark abgekühltes Inertgas, zum Beispiel Argon oder Stickstoff, aber auch Wasser, als Kühlmittel eingesetzt. Gegen mögliche schädliche Einwirkungen des Kühlmittels sind die Tragstruktur und insbesondere deren übrigen Bauteile, wie Einrichtungen zum Erwärmen und/oder Aufheizen des Rohlings, Einrichtungen zur Wärmedämmung, Einrichtungen zur Wärmerückstrahlung, der Vakuumanschluss oder Versorgungsanschlüsse für elektrischen Strom und elektrische Signale, sicherheitstechnisch geschützt installiert. Auf diese Weise ist es möglich, den Rohling zur weiteren Bearbeitung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu belassen. Zusätzliche personal-, zeit- und kostenintensive Umrüstarbeiten können somit eingespart werden.
Entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 49 weist die Tragstruktur in diesem Zusammenhang vorzugsweise wenigstens eine Einrichtung zur, insbesondere abschreckenden, Kühlung des Rohlings und/oder des dünnwandigen Schalenkörpers über die der Formkammer zugewandte Rückseite und/oder die der Formkammer abgewandte Vorderseite des Rohlings bzw. dünnwandigen Schalenkörpers auf, und zwar mit allen erforderlichen Zu- und Abflussleitungen für das Kühlmittel selbst. Dadurch ist ein Abschrecken des Schalenkörpers von beiden Seiten, d.h. von dessen Rück- und/oder Vorderseite, ermöglicht.
Die Einrichtung zum Anlegen eines Vakuums und Evakuieren der Formkammer umfasst nach Anspruch 50 zweckmäßigerweise einen Vakuumanschluss, der sich in der und durch die Drehachse der Tragstruktur erstreckt und/oder mit der Formkammer kommuniziert.
Schließlich liegt es noch im Rahmen der Erfindung, das erfindungsgemäße Verfahren und/oder die erfindungsgemäße Vorrichtung nach Anspruch 51 zum Herstellen von rotationssymmetrischen und/oder nicht rotationssymmetrischen schalenförmigen Bauteilen zu verwenden. Dabei haben sich halbkugelförmige, kugelkappenförmige, kalottenförmige, ellipsoidkalottenförmige, konische oder elliptische Bauteile bzw. Bauteile in Cassini-Form oder mit anderen Querschnittsformen als besonders vorteilhaft erwiesen.
Das erfindungsgemäße Verfahren und/oder die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich nach Anspruch 52 bei der Herstellung von Schalen als Dome für Raketen-Treibstofftanks, Satellitentanks, Paraboloid-Antennen, Paraboloid-Reflektorschalen, Paraboloid-Solar-Kollektoren, Scheinwerfergehäusen, Behälterböden, Turmkuppeln, Druckkalotten oder dergleichen.
Das erfindungsgemäße Verfahren oder die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich nach Anspruch 53 zum Walzen, insbesondere Verdichtungswalzen, von definierten Flächen des dünnwandigen Schalenkörpers. Dadurch lassen sich gleichzeitig Materialeigenschaften, wie zum Beispiel Dichte, Härte, Optik im Oberflächenbereich etc., verbessern.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen. Hierbei zeigen:
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 und/oder das Verfahren nach der Erfindung ist/sind zum Umformen bzw. Verformen eines im Wesentlichen flächigen Rohlings 12 oder einer im Wesentlichen flächigen Ronde aus Metall, insbesondere aus Aluminium oder einer, vorzugsweise aushärtbaren, Aluminiumlegierung, wie zum Beispiel A1 2219 oder A1 2195, zu einem (dünnwandigen) Schalenkörper 14, schalenförmigen Bauteil oder dergleichen Formteil vorgesehen, und zwar gleichermaßen im kalten wie im warmen Zustand. Bei der nachfolgenden Beschreibung von verschiedenen Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 sind einander entsprechende, gleiche Bauteile jeweils mit identischen Bezugsziffern versehen.
Die Vorrichtung 10 und/oder das Verfahren nach der Erfindung eignet/eignen sich insbesondere zur Herstellung von rotationssymmetrischen und/oder nicht rotationssymmetrischen schalenförmigen Bauteilen. In ausgesprochen vorteilhafter Weise dient/dienen die Vorrichtung 10 und/oder das Verfahren nach der Erfindung der Herstellung von halbkugelförmig, kugelkappenförmig, kalottenförmig, ellipsoidkallotenförmig, konisch, elliptisch, in Cassini-Form oder mit anderen Querschnittsformen ausgestalteten Bauteilen.
In ganz vorteilhafter Weise eignet/eignen sich die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 und/oder das Verfahren nach der Erfindung zur Herstellung von Schalen als Dome für Raketen-Treibstofftanks, Satellitentanks, Paraboloid-Antennen, Paraboloid-Reflektorschalen, Paraboloid-Solar-Kollektoren, Scheinwerfergehäusen, Behälterböden, Turmkuppeln, Druckkalotten oder dergleichen.
Darüber hinaus hat sich in der Praxis eine Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 und/oder des Verfahrens nach der Erfindung zum Walzen, insbesondere Verdichtungswalzen, von definierten Flächen eines gegebenenfalls fertiggestellten (dünnwandigen) Schalenkörpers 14 als besonders zweckmäßig erwiesen.
In der
Die Vorrichtung 10 weist dabei eine Tragstruktur 16 auf, die eine Formkammer 18 bildet bzw. umfasst, d.h. einschließt oder begrenzt. Die Tragstruktur 16 nimmt den Rohling 12 mit zunehmender Verformung zu dem dünnwandigen Schalenkörper 14 auf. Zur Bildung der Formkammer 18 ist die Tragstruktur 16 im Wesentlichen becher-, topf-, schüssel-, kegel-, kegelstumpf-oder dergleichen -hohlförmig ausgebildet. Die Tragstruktur 16 besteht in bevorzugter Weise aus ausreichend temperaturbeständigen Werkstoffen.
Weiterhin umfasst die Vorrichtung 10 nach der Erfindung eine Einrichtung 20 zum Einspannen des Rohlings 12 über dessen Umfang 22 an der Tragstruktur 16. Die Einrichtung 20 zum Einspannen des Rohlings 12 ist dabei an der Tragstruktur 16 angeordnet bzw. von dieser aufgenommen. Die Einrichtung 20 zum Einspannen des Rohlings 12 dichtet die Rückseite 24 des Rohlings 12, welche der Formkammer 18 zugewandt ist, gegenüber der Vorderseite 26 des Rohlings 12, welche der Formkammer 18 abgewandt ist, ab. Auf diese Weise ist das Innere der Formkammer 18 gegenüber der Umgebung isoliert.
Schließlich weist die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 eine Einrichtung 28 zum Anlegen eines Vakuums und Evakuieren der Formkammer 18 auf. Die Einrichtung 28 zum Anlegen des Vakuums und Evakuieren der Formkammer 18 ist der Formkammer 18 zugeordnet und steht mit dieser in Verbindung, um mit dieser zu kommunizieren.
Die Tragstruktur 16 der in der
Wie aus der
Alternativ oder kumulativ weist die Tragstruktur 16 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10, wie der
Ohne im Einzelnen dargestellt zu sein, kann die Tragstruktur 16 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 noch zusätzlich mit einer Einrichtung zur aktiven Kühlung versehen sein. Beispielsweise kann die Einrichtung zur aktiven Kühlung als inneres Kühlsystem mit zum Beispiel Wasser oder Öl als Kühlmedium ausgebildet sein.
Die Einrichtung 32 zur Wärmedämmung und/oder die Einrichtung 34 zur Wärmerückstrahlung unterstützen den Aufbau und die Aufrechterhaltung eines erhöhten Temperaturprofils im Inneren der Formkammer 18 und damit zugleich die Erwärmung und/oder Aufheizung des Rohlings 12. Gleichzeitig dienen die Einrichtung 32 zur Wärmedämmung und die Einrichtung 34 zur Wärmerückstrahlung, gegebenenfalls in Verbindung mit der nicht näher dargestellten Einrichtung zur aktiven Kühlung, dem thermischen Schutz der Tragstruktur 16 selbst.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist aus der
Zur lösbaren Fixierung des Rohlings 12 an der Tragstruktur 16 ist die Einrichtung 20 zum Einspannen des Rohlings 12 entsprechend der
Beim Verformen bzw. Umformen oder konkaven Drücken des im Wesentlichen flächigen Rohlings 12 zu dem dünnwandigen Schalenkörper 14 kann ein thermischer Verzug durch Temperaturbeaufschlagung infolge ungleicher Ausdehnungen des eingespannten Rohlings 12 und der Tragstruktur 16 im Bereich der Einrichtung 20 zum Einspannen des Rohlings 12 auftreten. Einem solchen unzulässigen thermischen Verzug kann dadurch entgegenwirkt werden, dass die Tragstruktur 16 mit einer Einrichtung zur Reduzierung von radialen und/oder umfangsmäßigen Wärmedehnungen zwischen dem Rohling 12 und der Einrichtung 20 zum Einspannen des Rohlings 12 ausgestattet ist (nicht gezeigt). So kann beispielsweise die Einrichtung 20 zum Einspannen des Rohlings 12 gegenüber der Tragstruktur 16 relativ radial und/oder umfangsmäßig verschiebbar ausgestaltet sein (ebenfalls nicht gezeigt). Ebenso denkbar ist eine konstruktive Ausgestaltung der Tragstruktur 16, die bei radialen und/oder umfangsmäßig wirkenden Beanspruchungen eine ausreichende Flexibilität der Tragstruktur 16 sicherstellt, ohne die Formstabilität der Tragstruktur 16 infolge (Unter)Druckbeaufschlagung gerade auch im Bereich der Einrichtung 20 zum Einspannen des Rohlings 12 zu beeinträchtigen. Zugleich lassen sich auf diese Weise selbst Spannungsverhältnisse innerhalb des Rohlings 12 aufgrund der (Unter)Druckbeaufschlagung vorteilhaft ausgleichen.
Das Verformen bzw. Umformen oder konkave Drücken des im Wesentlichen flächigen Rohlings 12 zu einem dünnwandigen Schalenkörper 14 basiert bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 auf einer (Unter)Druckbeaufschlagung des Rohlings 12. Der Rohling 12 wird mithin aus einer im Wesentlichen flächigen Form in eine rotationssymmetrische oder nicht rotationssymmetrische (Hohl)Form durch äußere Druckeinwirkung verbracht.
In der Vorrichtung 10 nach der Erfindung ist der Tragstruktur 16 weiterhin wenigstens ein Umformwerkzeug 50 zugeordnet, welches mit der Vorderseite 26 des Rohlings 12 in Berührung kommt und somit die Vorderseite 26 des Rohlings 12 beaufschlagt. Das Umformwerkzeug 50 dient der Unterstützung des Verformens bzw. Umformens oder konkaven Drückens durch die Vorrichtung 10. Bei der in der
In vorteilhafter Weise ist das wenigstens eine Umformwerkzeug 50, welches die Vorderseite 26 des Rohlings 12 beaufschlagt, schablonen- oder numerisch geregelt und/oder gesteuert.
Die Tragstruktur 16 zusammen mit dem Rohling 12 und das wenigstens eine Umformwerkzeug 50 sind darüber hinaus zueinander relativ drehbar ausgebildet.
Optional kann der Tragstruktur 16 bei der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 der
Bei der Ausführungsform der Vorrichtung 10, die in der
Die Drehachse 52 der Tragstruktur 16 ist dabei zweckmäßigerweise horizontal angeordnet. Ohne im Einzelnen dargestellt zu sein, ließe sich die Drehachse 52 jedoch ebenso vertikal anordnen.
Das wenigstens eine Umformwerkzeug 50 ist demgegenüber über zwei Stellantriebseinrichtungen 64, 66, die beispielsweise mit einer Rollenführung 68 zusammenwirken, entsprechend den Doppelpfeilen 70, 72 auf einer raum- bzw. ortsfesten Meridiankurve zweidimensional bewegbar. Die Rollenführung 68 ist ortsfest.
Wie aus der
Die Ausführungsform der Vorrichtung 10 nach der Erfindung, die in der
Wie der
Die zwei Umformwerkzeuge 50 sind bei der Ausführungsform der Vorrichtung 10, die in der
Die zwei Umformwerkzeuge 50 sind mithin jeweils einer Rotation der Traverse 74 um deren zentrale Drehachse 52 unterworfen. Eine Rotation der Traverse 74 erfolgt bei vorliegendem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 10 der
Aufgrund der ortsfesten Ausbildung der Tragstruktur 16 zusammen mit dem Rohling 12 lässt sich bei der Ausführungsform der Vorrichtung 10, die in der
Die Traverse 74 ist bei der Ausführungsform der Vorrichtung 10, die in der
Die Schienenanordnung 88 umfasst einen Zahnradkranz 96, auf welchem die Traverse 74 befestigt ist. Der Zahnradkranz 96 ist seinerseits auf der Unterseite mit einem Schienenring 98 kraftschlüssig verbunden. Den Schienenring 98 halten eine Vielzahl von ortsfesten Führungsrollen 100, die entlang eines inneren und äußeren Ringumfangs äquidistant verteilt sind, exakt mittig auf der zentralen Drehachse 52. Da der Schienenring 98 beidseits in eine Prismenführung bzw. prismenförmige Kerbungen 102 der Führungsrollen 100 (ein)greift, kann der Schienenring 98 und damit die Traverse 74 nicht aus der Schienenanordnung 88 abheben. Sobald der Schienenring 98 umläuft, rotieren die Führungsrollen 100 um Stiftachsen 104, die in einer Ringplatte 106 verankert sind. Die Ringplatte 106 wiederum ist von dem Tragring 94 des Schienenunterbaus 90 abgestützt.
Die Rotation der Traverse 74 erfolgt über die Antriebseinrichtung 76, die bei in der
Die Stromversorgung für die an der Traverse 74 angebrachten Stellantriebseinrichtungen 80, 82 erfolgt zentral über eine Stromabnehmerwelle 112, die zum Beispiel mit Gleitringen versehen ist.
Die Traverse 74 ist, wie die Ausführungsform der Vorrichtung 10, die in der
Die Ausführungsform der Vorrichtung 10, die in der
Entsprechend dem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10, die in der
In der
Bei der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10, die in der
Die
Ohne im Einzelnen dargestellt zu sein, ist es selbstverständlich jederzeit möglich, eine kinematische Umkehr der Ausführungsform der Vorrichtung 10 nach der Erfindung, die in der
Ohne im Einzelnen dargestellt zu sein, kann die Tragstruktur 16 des Weiteren ein wärmegedämmtes, insbesondere mit Heizflächen versehenes, Abdeckelement oder dergleichen Deckplatte zur Abdeckung der Vorderseite 26 des Rohlings 12, welche der Formkammer 18 abgewandt ist, umfassen. Demnach kann der Rohling 12 bzw. Schalenkörper 14 während der Wärmebehandlung auf der Tragstruktur 16 abgedeckt und dessen Temperatur mittels den vorhandenen Heizflächen auf die jeweils erforderlichen Wärmebehandlungstemperaturen angehoben werden.
Durch die ebenfalls nicht näher dargestellten konstruktiven Maßnahmen, wonach die Tragstruktur 16 mit wenigstens einer der Formkammer 18 zugeordneten, sicherheitstechnisch relevanten Einrichtung zum Schutz gegen äußere Einwirkungen durch gasförmige und/oder flüssige Kühlmittel, insbesondere Inertgas, vorzugsweise Argon oder Stickstoff, oder Wasser, versehen ist, kann der Rohling 12 bzw. Schalenkörper 14 auf der Tragstruktur 16 bis zum endgültigen Abbau im eingespannten Zustand verbleiben, um einer weitergehenden Bearbeitung und/oder Wärmebehandlung, beispielsweise einem Lösungsglühen, einem Abschrecken als auch gegebenenfalls einem Auslagern, unterzogen zu werden. Auf diese Weise braucht der Rohling 12 bzw. der Schalenkörper 14 nach dem Vordrücken wegen der sich anschließenden Wärmebehandlung nicht zeitaufwendig abgebaut und danach für das Rekken erneut zeitaufwendig eingebaut zu werden. Die Wärmebehandlung des Rohlings 12 lässt sich insoweit unmittelbar in der Tragstruktur 16 in eingebautem Zustand ausführen. Die Zeitersparnis erweist sich, insbesondere bei großen Rohlingen 12 bzw. Schalenkörpern 14, als bedeutsam. Danach wird zum Beispiel ein Schalenkörper 14, der aus Al 2219 besteht, nach dem Vordrücken bei 535 °C lösungsgeglüht, danach abgeschreckt, alsdann gestreckt und abschließend gegebenenfalls bei 160 °C bis 190 °C ausgelagert, um den Zustand T8x zu erreichen.
Durch eine solche konstruktive Ausgestaltung der Vorrichtung 10 nach der Erfindung ist es ohne weiteres möglich, einen dünnwandigen Schalenkörper 14 aus einem im Wesentlichen flächigen Rohling 12 aus Metall herzustellen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verformen eines im Wesentlichen flächigen Rohlings 12 aus Metall zu einem dünnwandigen Schalenkörper 14 wird nachfolgend anhand der Vorrichtung 10 näher erläutert:
Zunächst wird der Rohling 12 über dessen Umfang 22 an der Tragstruktur 16 mit der Formkammer 18 eingespannt. Von der Formkammer 18 wird der Rohling 12 mit zunehmender Verformung zu dem dünnwandigen Schalenkörper 14 aufgenommen. Zugleich wird die Rückseite 24 des Rohlings 12, welche der Formkammer 18 zugewandt ist, gegenüber der Vorderseite 26 des Rohlings 12, welche der Formkammer 18 abgewandt ist, abgedichtet. Anschließend wird ein Vakuum an die von dem Rohling 12 abschließende Formkammer 18 angelegt. Durch definiertes Evakuieren der Formkammer 18 sowie über das wenigstens eine Umformwerkzeug 50 wird der Rohling 12 schließlich zu dem dünnwandigen Schalenkörper 14 verformt. Dabei wird die Oberfläche des Rohlings 12, unter Abnahme der ursprünglichen Wanddicke, gestreckt. Zu einer Berührung zwischen dem Rohling 12 bzw. dem dünnwandigen Schalenkörper 14 und der Tragstruktur 16 bzw. deren Bauteilen kommt es, aufgrund der Begrenzung und kontinuierlichen Überwachung des Vakuums sowie der kontrolliert weggesteuerten Führung des Umformwerkzeuges 50, nicht.
Vor dem Verformen wird der Rohling 12 über die wenigstens eine Einrichtung 30 zur Erwärmung und/oder Aufheizung des Rohlings 12, welche der Formkammer 18 zugeordnet ist, auf ein erhöhtes Temperaturprofil gebracht. Darüber hinaus können grundsätzlich auch Wärmequellen, wie Einrichtungen 31, eingeschaltet werden, welche den Rohling 12, wenn erforderlich, von beiden Seiten 24, 26 beheizen und schnell auf die vorgeschriebenen Temperaturen anheben sowie während der Verformung bzw. Umformung oder des konkaven Drückens auch auf diesen halten. Um sodann Wärmeverluste zu vermeiden und zugleich das zuvor erhöhte Temperaturprofil beizubehalten, wird der Rohling 12 des Weiteren über die wenigstens eine Einrichtung 32 zur Wärmedämmung und/oder die wenigstens eine Einrichtung 34 zur Wärmerückstrahlung auf dem erhöhten Temperaturprofil gehalten.
Der Rohling 12 kann gegebenenfalls über eine in der Formkammer 18 angeordnete, perforierte Gegenform 48 zu dem dünnwandigen Schalenkörper 14 verformt werden. Als Umformwerkzeug 50 wird vorzugsweise wenigstens eine Umform- oder Drückrolle und/oder eine Drückkugel eingesetzt. In letzterem Falle ist die Drückkugel zweckmäßigerweise hydrostatisch gelagert.
Bei Beaufschlagung der Vorderseite 26 des Rohlings 12 durch das Umformwerkzeug 50 ist es von besonderem Vorteil, das Umformwerkzeug 50 relativ zum Rohling 12 vom Umfang 22 zu dessen Mitte und/oder von dessen Mitte zum Umfang 22 zu führen. Das Umformwerkzeug 50 wird dabei, vorzugsweise mittels einer (Blech)Schablone oder numerisch, geregelt und/oder gesteuert.
Vor dem Verformen des Rohlings 12 zu dem dünnwandigen Schalenkörper 14 mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 ist es von besonderem Vorteil, den Rohling 12 aus wenigstens zwei gesonderten Flächenelementen auszubilden. Die wenigstens zwei gesonderten Flächenelemente können dabei insbesondere mittels Wolfram-Inertgas (TIG)-, Metall-Inertgas (MIG)-, Rührreib (FSW bzw. Friction-Stir-Welding)-, Elektrostrahl (EB)-, Laser-, Plasmaschweißverfahren oder jedem anderen geeigneten Schweißverfahren zu einer Einheit zusammengefügt werden. Auf diese Weise lassen sich auch Rohlinge 12 größeren Ausmaßes anfertigen, die dann zu einem dünnwandigen Schalenkörper 14 verformt bzw. umgeformt oder konkav gedrückt werden können.
Sofern der Rohling 12 aus mehreren gesonderten Flächenelementen gebildet wird, kann es von besonderem Vorteil sein, den Rohling 12 vor dem Verformen auf herkömmliche Weise weichzuglühen.
Der Rohling 12 wird auf bevorzugte Weise vor dem Verformen zu dem dünnwandigen Schalenkörper 14 durch Spanabhebung, insbesondere durch Drehen, Fräsen und/oder Schleifen, vorkonturiert. Dabei wird eine vorbestimmte Wanddickenverteilung des Rohlings 12 zum Erhalt einer gewünschten Endwanddicke des dünnwandigen Schalenkörpers 14 eingestellt. Im diesem Zusammenhang ist es besonders zweckmäßig, den Rohling 12 auf dessen Rückseite 24 mit einer Konturierung zu versehen. Im Falle einer Beaufschlagung der Vorderseite 26 des Rohlings ist so eine glatte Führung des Umformwerkzeuges 50 gewährleistet.
Weiterhin ist es zweckmäßig, den Rohling 12 vor dem Verformen und/oder vor dem Recken zu dem dünnwandigen Schalenkörper 14 durch Spanabhebung mit Durchbrüchen, Perforationen oder dergleichen Ausnehmungen zu versehen, welche sodann durch Abdekkungen, insbesondere eine Folie, zeitweise vakuumdicht versiegelt werden. Die Spanabhebung kann dabei mittels Drehen, Fräsen und/oder Schleifen erfolgen, wobei entsprechende Durchbrüche, Perforationen oder dergleichen Ausnehmungen vor allem im Polbereich bzw. in der Mitte des Rohlings 12 vorgenommen werden.
Bevor der Rohling 12 zu dem dünnwandigen Schalenkörper 14 mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 verformt bzw. umgeformt oder konkav gedrückt wird, kann es von Vorteil sein, den Rohling 12 weiteren vorbereitenden Bearbeitungsschritten zu unterziehen. So ist es denkbar, den Rohling 12 gegebenenfalls vorzuformen und/oder vorzudrücken, lösungszuglühen und anschließend auf einen Zustand T4 abzuschrecken, kaltzuverformen, im Ofen warmauszulagern und einen Zustand T8 zu bringen.
Um eine hohe Maßgenauigkeit zu erhalten, ist es von großem Vorteil, den Rohling 12 während des Verformens zu dem dünnwandigen Schalenkörper 14 kontinuierlich einer Vermessung zu unterziehen.
Mittels des Verfahrens bzw. der Vorrichtung 10 nach der Erfindung werden inzwischen ohne weiteres Dome beispielsweise für die Treibstofftanks der Ariane 5 gefertigt, die einen Durchmesser von 5,4 m und mehr sowie Wanddicken im Bereich von maximal 7 mm am Rand und ca. 3,3 mm im Bereich des Schalenkörpers 14 aufweisen.
Es ist weiteres vorteilhaft möglich, die Tragstruktur 16 mit einer in die Formkammer 18 einmündenden Einrichtung zur Zufuhr von Schutzgas auszurüsten (nicht dargestellt). Auf diese Weise lässt sich die Oxidation des Rohlings 12 bzw. des dünnwandigen Schalenkörpers 14 während der Erwärmung und/oder Aufheizung bzw. einer weitergehenden Bearbeitung oder Wärmebehandlung noch weiter eindämmen, um eine abschließende Oberflächenreinigung zugleich auf ein Minimum zu reduzieren.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 beschränkt.
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