Hydraulische Pressen für superplastische Umformung (SPF)

Einführung

Superplastizität ist eine Eigenschaft von Metallen oder Metalllegierungen, die bei hohen Temperaturen formbarer werden. Aufgrund dieser Eigenschaft können Legierungen in viel größere Dimensionen gestreckt werden, wodurch hochfeste Leichtbauteile mit komplexen Geometrien entstehen.

Beim Superplastic Forming (SPF)-Verfahren werden Bleche in einem Vakuumsystem Inertgasen wie Argon (extrem rein) ausgesetzt. Das Gas wird gleichmäßig über den Hohlraum der Matrize auf das Blech aufgebracht. Das Material wird über Formen geformt, um die erforderlichen Teile herzustellen, einschließlich dreidimensionaler Strukturen wie Hohl- oder Wabenstrukturen. Variable Gasdrücke werden verwendet, um sicherzustellen, dass die gewünschte Dicke erreicht wird.

400 Tonnen superplastische Formpresse

Materialien und Anwendungen

Superplastizität findet sich in verschiedenen Materialien, einschließlich Metallen und Legierungen, Keramiken, metallischen Massengläsern und geologischen Materialien. Aluminium wird bei Temperaturen über 500 Grad Celsius superplastisch und Titan bei Temperaturen über 900 Grad Celsius. Außerdem kommen neue Legierungen auf den Markt, die auch bei niedrigeren Temperaturen Superplastizität aufweisen.

Materialien wie diese ermöglichen dünnere Bleche, verbessern sowohl die Lebensdauer der Formen als auch der Teile und reduzieren das Gewicht und die Kosten der Komponenten. Im Vergleich zu herkömmlichen Umformverfahren bietet SPF Materialeinsparungen (> 10%), reduzierte Werkzeugkosten (> 20%), kürzere Vorlaufzeiten und verbesserte Teilefestigkeit.

Einer der wichtigsten Vorteile von SPF ist die Fähigkeit, größere, stärkere und leichtere Teile als eine herkömmliche Presse mit weniger Verbindungen und Schweißnähten herzustellen. Dies liegt zum Teil an einem besonderen (und geheimen) Laminatmaterial, das dabei verwendet wird, wie es beispielsweise bei der Herstellung von Düsentriebwerken verwendet wird.

Das hohe Festigkeits-Gewichts-Verhältnis und die Korrosionsbeständigkeit von SPF-Komponenten machen sie ideal für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie. SPF-Pressen werden für einige der weltweit umfangreichsten Verkehrsflugzeugprogramme zur Herstellung von Flügelteilen, Triebwerksgehäusen, Blättern und Rudern verwendet. SPF wird auch für Automobilkomponenten, medizinische Geräte, Architekturplatten und sogar Golfschlägerköpfe verwendet.

Ein Beispiel für SPF im Einsatz in der Luft- und Raumfahrtindustrie wird von führenden Herstellern für die Luftfahrt, Raumfahrt und Verteidigung verwendet, wo als Alternative eine Ti-6AI-4V-Legierung verwendet wurde, um einen Gondel-Mittelträgerrahmen in einem einzigen Bauteil herzustellen auf die zuvor erforderlichen acht Elemente und 96 Befestigungselemente – sowohl unter Verwendung von SPF als auch durch Diffusionsschweißen – führte zu einer Kosteneinsparung von 55 Prozent und einer Gewichtseinsparung von 33 Prozent.

Diffusionsbonden ist ein weiteres umweltfreundlicheres Verfahren, das in der Nuklear- und Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet wird, um mehrere Platten in einer Vakuum- oder Inertgasumgebung miteinander zu verbinden. Der Festkörper-Diffusionsprozess ermöglicht es den Molekülen der Bleche, sich bei hohen Temperaturen und hohem Druck zu integrieren, während die meisten inhärenten Eigenschaften der einzelnen Metalle oder Legierungen erhalten bleiben.

Festlegen von Prozessparametern

Der SPF-Prozess ist sehr ausgeprägt und erfordert lange Zykluszeiten bei extrem hohen Temperaturen. Die durchschnittliche Zeit für die Herstellung eines Teils bei Temperaturen zwischen 930 und 970 Grad Celsius beträgt etwa 7 Stunden.

Eine langsame Umformgeschwindigkeit macht das Verfahren ideal für Anwendungen in der Kleinserienfertigung, obwohl dies einer der Nachteile von SPF ist. Glücklicherweise haben Fortschritte in der Prozesstechnologie einem schnelleren Durchsatz und verbesserten Zykluszeiten Platz gemacht, was SPF für Anwendungen mit hohem Volumen, wie sie in Automobilanwendungen verwendet werden, wettbewerbsfähiger macht.

Die folgende Tabelle verallgemeinert einige der Prozessparameter von SPF:

Parameterbereich _
Typische Tonnage 50 – 800 Tonnen
Typische Bettgröße 60 x 40 Zoll bis 120 Zoll bis 80 Zoll
Typischer Pressdruck 500 – 1000 psi
600 Tonnen superplastische Formpresse

Beispiel :

Die Tonnagespezifikationen von SPF-Pressen hängen von der Größe des Werkzeugs und des Bauteils ab. Die Pressen sind praktisch Klemmmechanismen, und die Geschwindigkeiten sind nicht die gleichen wie im normalen Pressenbetrieb. Abgesehen von einem Druck von 500 psi, der zum Öffnen der Presse erforderlich ist, muss die Tonnage höher sein, um die richtige Klemmwirkung zu erzielen.

Wenn das Teil 50 x 30 Zoll groß ist, beträgt die Teilfläche 1.500 Quadratzoll. Nehmen Sie diese 1500 Quadratzoll und multiplizieren Sie sie mit dem Druck: 500 psi würden 750.000 Pfund Kraft (oder 375 Tonnen) entsprechen. Idealerweise sollte die Pressentonnage 450 bis 500 Tonnen betragen, mit einer schnellen Schließgeschwindigkeit von etwa 50 Zoll pro Minute, einer schnellen Rückkehr von 50 Zoll pro Minute und einem Pressen von 1 bis 5 Zoll pro Minute.

Es ist unbedingt darauf zu achten, dass die Materialien über den gesamten Plattenbereich eine gleichmäßige Dicke aufweisen, um eine gleichmäßige Zugfestigkeit zu gewährleisten. Der Prozess muss auch die Auswirkungen der Rückfederung berücksichtigen, die auftritt, wenn der Druck während des Produktionsprozesses abgebaut wird.

Ebenso kann Fressen auftreten, wenn Reibung und Adhäsion vorhanden sind, was zu örtlicher Rauheit und anderen Oberflächenfehlern führt. Dies gilt insbesondere für Aluminium, wenn es in einen superplastischen Zustand erhitzt wird und Druckkräften ausgesetzt ist. Um zu verhindern, dass das Zwischenmaterial an der Form anhaftet, was zu Schwankungen im Materialfluss beim Strecken führt, verwenden Sie Hochtemperaturschmierung, um die Reibung zu begrenzen und das Risiko von Fressen zu mindern.

Hydraulisches SPF-Pressendesign

Eine speziell für eine SPF-Anwendung entwickelte hydraulische Presse ist das Herzstück jedes SPF-Vorgangs. Mehrere wichtige SPF-Pressefunktionen haben Auswirkungen auf die Prozessergebnisse:

  • Präzise und wiederholbare Argongasdrücke und Mehrzonen-Temperaturregelung. Dies sind kritische Elemente einer erfolgreichen SPF-Operation. Um die Effektivität dieser Systeme zu maximieren, ist eine flexible und wiederholbare Pressensteuerung erforderlich. Präzisions-Gasmanagementsysteme umfassen Wärmetauscher für die Heißgaskühlung während des Auspuffs und liefern genaue und wiederholbare Argongasdrücke.
  • Innovative Hydraulik- und Steuerungsfunktionen ermöglichen es, die Presskraft proportional zum Argondruckanstieg zu erhöhen und umgekehrt, um die Belastung der Werkzeugdichtungen zu minimieren.
  • Hocheffiziente Hitzeschilde und Keramikisolierung sind Standard bei Macrodyne SPF-Pressen und bieten eine optimale Isolierung der prozessbedingten hohen Temperaturen bei gleichzeitiger Gewährleistung einer langen Lebensdauer der Komponenten und der Sicherheit des Bedieners.
  • Spezialisierte Kolbenführungsanordnungen, bestehend aus einer zentralen Kolbenführungsbaugruppe und einer temperaturkompensierten Führungsstange/Verdrehsicherungsanordnung in der Traverse, sorgen für eine verbesserte Führung der beweglichen Platte.
  • Hochgeschwindigkeits-Datenerfassungssysteme bieten verbesserten Zugriff auf Prozessvariableninformationen und optimieren die Datenintegration zwischen der Druckmaschine und den internen Netzwerken.
  • Fortschrittliche Steuerungssysteme zur Verwaltung von Prozessvariablen, einschließlich Mehrzonen-Temperaturregelung, gewährleisten erfolgreiche superplastische Umformvorgänge.
  • Rolltische für den schnellen und sicheren Werkzeugwechsel. Sie sind anpassbar und in Einzel- und Doppelstempel-Konfigurationen für eine Fahrt in eine Richtung oder in T-Form erhältlich.
175 Tonnen superplastische Formpresse

Warum Macrodyn?

Egal, ob Sie neu im SPF-Prozess sind oder ein Unternehmen mit langjähriger Erfahrung mit der Anwendung vertreten, wir empfehlen Ihnen, sich noch heute mit uns in Verbindung zu setzen. Wir können mit Ihnen zusammenarbeiten, um Ihre Produktionsumgebung zu optimieren und Ihnen dabei zu helfen, die beste Teilequalität bei höheren Stückzahlen und niedrigeren Kosten zu erreichen.