DE3875078T2 - METHOD FOR BENDING METALLIC OBJECTS. - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Biegen eines Gegenstands aus Metall durch lokales Erhitzen des Gegenstands, um das Metall weichzumachen, und durch anschliessendes Abkühlen des Gegenstands sowie durch Wiederholung der Erhitzungs- und Abkühlschritte.The invention relates to a method for bending a metal object by locally heating the object to soften the metal and by subsequently cooling the object and repeating the heating and cooling steps.
Die DE-16 27 490 A beschreibt als allgemeinen Stand der Technik die Ausrichtung von Gegenständen aus Metall durch lokal beschränktes Erhitzen des Gegenstands aus Metall, um Schrumpfspannungen in dem Gegenstand zu erzeugen. Solche Schrumpfspannungen ergeben sich aus Verformungen aufgrund unterbundener Wärmeausdehnung und nachfolgendem Abkühlen.DE-16 27 490 A describes, as general state of the art, the alignment of metal objects by locally heating the metal object in order to generate shrinkage stresses in the object. Such shrinkage stresses result from deformations due to suppressed thermal expansion and subsequent cooling.
Der spezielle Stand der Technik dieser Veröffentlichung bezieht sich auf das Biegen gerader zylindrischer Rohre zu einem Bogen, indem zunächst ein innerer Abschnitt des Rohres bis zu einem plastischen Zustand des Materials erwärmt wird und danach ein entsprechender äußerer Abschnitt des Rohres erwärmt wird, woran sich ein Abkühlen der Abschnitte anschließt. Diese Schrittfolge kann wiederholt werden. Bevorzugt wird ein Erwärmen durch Flamme oder durch Induktion. Zusätzlich können die Teile zwischen dem zu erwärmenden inneren und äußeren Abschnitt während des Erwärmens gekühlt werden, vorzugsweise durch ein inertes Schutzgas. Die lokal erwärmten Abschnitte haben eine Form der Oberflächen, die ähnlich einem Rhombus ist, von dem sich eine Diagonale in Axialrichtung erstreckt. Dieses bekannte Verfahren ist nicht zum Biegen ebener paralleler Gegenstände, insbesondere aus spröden oder harten Materialien, anwendbar.The specific prior art of this publication relates to bending straight cylindrical tubes into an arc by first heating an inner section of the tube until the material is in a plastic state and then heating a corresponding outer section of the tube, followed by cooling the sections. This sequence of steps can be repeated. Heating by flame or by induction is preferred. In addition, the parts between the inner and outer sections to be heated can be cooled during heating, preferably by an inert protective gas. The locally heated sections have a surface shape that is similar to a rhombus, from which a diagonal extends in the axial direction. This known method is not applicable to bending flat parallel objects, in particular made of brittle or hard materials.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, das Verfahren der gattungsgemäßen Art zum kontrollierten Biegen von plattenförmigen Gegenständen aus Metall mit hoher Verformungsgenauigkeit einzusetzen.The aim of the invention is to use the method of the generic type for the controlled bending of plate-shaped metal objects with high deformation accuracy.
Dieses Ziel wird mit dem Verfahren der gattungsgemäßen Art dadurch erreicht, daß ein plattenförmiger Gegenstand aus Metall erhitzt und abgekühlt wird, daß das lokale Erhitzen auf einer Seite des plattenförmigen Gegenstands aus Metall längs einer geraden Linie ausgeführt wird, welche die Biegelinie wird, daß das Erhitzen längs der geraden Linie so durchgeführt wird, daß das Metall teilweise geschmolzen wird, und daß das Metall auf eine Tiefe weichgemacht und geschmolzen wird, die kleiner ist als die Dicke des plattenförmigen Gegenstands aus Metall, wobei ein solches Erhitzen einen Ausfluß von Metall innerhalb des Bereichs der Biegelinie verursacht, während ein darauffolgendes Abkühlen bei Umgebungstemperatur oder zusätzlich in einem Blasgasstrom das Metall in den Festzustand überführt und ein Schrumpfen des Metalls senkrecht zur Biegelinie verursacht, was eine permanente Biegeverformung in einem Winkel längs der Biegelinie zur Folge hat.This aim is achieved with the method of the generic type in that a plate-shaped metal object is heated and cooled, that the local heating is carried out on one side of the plate-shaped metal object along a straight line which becomes the bending line, that the heating along the straight line is carried out in such a way that the metal is partially melted, and that the metal is softened and melted to a depth which is smaller than the thickness of the plate-shaped metal object, such heating causing an outflow of metal within the region of the bending line, while subsequent cooling at ambient temperature or additionally in a blowing gas stream converts the metal into the solid state and causes shrinkage of the metal perpendicular to the bending line, resulting in a permanent bending deformation at an angle along the bending line.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können plattenförmige Gegenstände aus Metall mit einem vorher festgelegten Winkel gebogen werden, ohne daß äußere Kräfte ausgeübt werden. Ein solches Biegen wird erfolgreich durchgeführt, auch wenn der plattenförmige Gegenstand aus einem spröden Material oder aus einem Material mit hoher Festigkeit oder hoher Härte besteht. Ferner kann das Verfahren zum Biegen von plattenförmigen Gegenständen verwendet werden, wenn der Zugang zu ihnen schwierig ist, beispielsweise unter Vakuum oder unter gefährlichen Bedingungen, wie hoher Spannung, schädlicher Strahlung und dergleichen.With the method according to the invention, plate-shaped objects made of metal can be bent at a predetermined angle without applying external forces. Such bending is successfully carried out even if the plate-shaped object consists of a brittle material or of a material with high strength or high hardness. Furthermore, the method can be used for bending plate-shaped objects when access to them is difficult, for example under vacuum or under dangerous conditions such as high voltage, harmful radiation and the like.
Vorzugsweise wird das Erhitzen mit einem fokussierten Laserstrahl oder mit einem konzentrierten hochenergetischen Elektronenstrahl durchgeführt.Preferably, heating is carried out with a focused laser beam or with a concentrated high-energy electron beam.
Es ist zweckmäßig, daß die Oberfläche des erhitzten Metalls mit einer Substanz bedeckt wird, die den Absorptionskoeffizienten des Energieflusses steigert.It is advisable that the surface of the heated metal is covered with a substance that increases the absorption coefficient of the energy flow.
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.The invention is explained in more detail by way of example with reference to the accompanying drawings.
Fig. 1 ist eine Stirnansicht einer ebenen parallelen Platte, die erfindungsgemäß gebogen wurde,Fig. 1 is an end view of a flat parallel plate bent according to the invention,
Fig. 2 ist eine Seitenansicht der ebenen parallelen Platte von Fig. 1,Fig. 2 is a side view of the planar parallel plate of Fig. 1,
Fig. 3 zeigt eine Einzelheit der Platte von Fig. 1 während des Erhitzens,Fig. 3 shows a detail of the plate of Fig. 1 during heating,
Fig. 4 zeigt die Einzelheit von Fig. 3 während des Abkühlens,Fig. 4 shows the detail of Fig. 3 during cooling,
Fig. 5 ist ein Diagramm, welches die Temperaturverteilung längs der Dicke der Platte während des Erhitzens darstellt, undFig. 5 is a diagram showing the temperature distribution along the thickness of the plate during heating, and
Fig. 6 ist ein Diagramm, welches die Spannungsverteilung über der Dicke der Platte während des Abkühlens zeigt.Fig. 6 is a diagram showing the stress distribution across the thickness of the plate during cooling.
Während der ersten Phase wird das Metall des plattenförmigen, zu biegenden Gegenstandes einer Erwärmung mit einem konzentrierten Energiestrom SE einer Laserstrahlung ausgesetzt. Das Aufbringen des Energiestroms SE der Laserstrahlung, der sich mit einer Geschwindigkeit V längs der Biegelinie AA bewegt, zieht eine örtliche Änderung des Zustands in einem Bereich P des Metalls nach sich, der durch unterschiedliche Eigenschaften in der Tiefe G gekennzeichnet ist. Innerhalb jedes Bereichs P können zwei Zonen beobachtet werden, wobei das Material in der ersten Zone S1 flüssig und in der zweiten Zone S2 plastisch ist und die Grenze U des Bereichs die Schmelzeund plastische Zone umgibt.During the first phase, the metal of the plate-shaped object to be bent is subjected to heating with a concentrated energy stream SE of laser radiation. The application of the energy stream SE of the laser radiation, which moves at a speed V along the bending line AA, results in a local change in the state in an area P of the metal, which is characterized by different properties at depth G. Within each area P, two zones can be observed, with the material being liquid in the first zone S1 and plastic in the second zone S2, and the boundary U of the area surrounding the melt and plastic zone.
Die Temperaturverteilung des erhitzten Materials, wie sie schematisch in Fig. 5 als Funktion der Dicke L des Gegenstands gezeigt ist, zeigt zusätzlich die Materialschmelztemperatur Tm. Während des Erhitzungsschritts strömt das Material der ersten Zone S1 und der zweiten Zone S2 aus, um ein vergrößertes Volumen als Folge der Spannungen einzunehmen, die durch die Wirkung der Wärmeausdehnung verursacht werden. Diese Temperaturverteilung bezogen auf die Schmelztemperatur Tm bestimmt die Größe der ersten Zone S1 und der zweiten Zone S2 relativ zur Materialdicke L.The temperature distribution of the heated material, as shown schematically in Fig. 5 as a function of the thickness L of the article, additionally indicates the material melting temperature Tm. During the heating step, the material of the first zone S1 and the second zone S2 flows out to occupy an increased volume as a result of the stresses caused by the effect of thermal expansion. This temperature distribution related to the melting temperature Tm determines the size of the first zone S1 and the second zone S2 relative to the material thickness L.
Während der zweiten Phase wird das Material bei Umgebungstemperatur oder zusätzlich in einem Strom eines Blasgases gekühlt. Das Material in dem Bereich der Biegelinie, d.h., die Flüssigkeit in der ersten Zone S1 und das plastische Material in der zweiten Zone S2, werden in den Festzustand umgewandelt. Die Grenze des Bereichs, die die plastische und die Schmelze-Zone in der Erhitzungsphase umgibt, wurde mit der Linie U in Fig. 4 markiert. Aufgrund der inneren Spannungen t, die durch das Schrumpfen des abgekühlten Materials verursacht werden, wird es längs der mit einem Pfeil markierten Fasern kürzer, der über der Spannungsverteilung längs der Dicke L des Gegenstands in Fig. 6 gezeigt sind.During the second phase, the material is cooled at ambient temperature or additionally in a stream of blowing gas. The material in the region of the bending line, ie, the liquid in the first zone S1 and the plastic material in the second zone S2, are converted to the solid state. The boundary of the region surrounding the plastic and melt zones in the heating phase has been marked with the line U in Fig. 4. Due to the internal stresses t caused by the shrinkage of the cooled material, it becomes shorter along the fibers marked with an arrow, which is shown above the stress distribution along the thickness L of the object in Fig. 6.
In diesem Diagramm sind die Werte der Grenzdruckspannung s und der Grenzzugspannung r markiert. Sollte beispielsweise die Grenzzugspannung r überschritten werden, kann sprödes Material rissig werden.In this diagram, the values of the limiting compressive stress s and the limiting tensile stress r are marked. If, for example, the limiting tensile stress r is exceeded, brittle material can crack.
Die Erhitzungs- und Abkühlbedingungen werden so gewählt, daß die Zug- und Druckspannungen, die in dem Material erzeugt werden, viel kleiner als ihre Grenzspannungen sind. Durch Verändern der Erhitzungs- und Abkühlparameter, beispielsweise der Energiestrombewegungsgeschwindigkeit, der Intensität des Energiestromes, des Fehlens oder des Vorhandenseins und der Art einer Schicht, die den Energiestrom absorbiert, usw., kann man die Temperaturverteilung in der Erhitzungsphase (Fig. 5) und die Spannungsverteilung in der Abkühlphase (Fig. 6) beeinflussen. Bei der vorstehend erwähnten Weise wird eine Kontrolle auf die Größe der Spannungen ausgeübt, die in dem Material erzeugt werden, um den gewünschten Biegewinkel (Fig. 1 und 4) während eines Erhitzung- und Abkühlzyklus längs der Biegelinie zu erhalten.The heating and cooling conditions are chosen so that the tensile and compressive stresses generated in the material are much smaller than their limiting stresses. By varying the heating and cooling parameters, such as the energy stream movement speed, the intensity of the energy stream, the absence or presence and type of a layer absorbing the energy stream, etc., one can influence the temperature distribution in the heating phase (Fig. 5) and the stress distribution in the cooling phase (Fig. 6). In the manner mentioned above, control is exercised on the magnitude of the stresses generated in the material to obtain the desired bending angle (Figs. 1 and 4) during a heating and cooling cycle along the bending line.
Bei einer Ausführungsform wurde die ebene parallele Platte, die in Fig. 1 und 2 gezeigt ist, einem Biegeprozeß nach der Erfindung unterworfen. Die Platte, die 0,7 mm dick und 20 mm breit ist, ist aus 50 HSA-Stahl hergestellt und wird mit einem Strahl eines kontinuierlich arbeitenden 300 W CO&sub2;-Lasers erhitzt. Die Energiequelle bewegt sich längs der Linie AA (Fig. 2) mit der Geschwindigkeit von 2,5 cm/s. Der Strahl ist senkrecht auf die Oberfläche der Platte gerichtet.In one embodiment, the flat parallel plate shown in Figures 1 and 2 has been subjected to a bending process according to the invention. The plate, which is 0.7 mm thick and 20 mm wide, is made of 50 HSA steel and is heated with a beam from a continuously operating 300 W CO₂ laser. The energy source moves along the line AA (Fig. 2) with the speed of 2.5 cm/s. The beam is directed perpendicular to the surface of the plate.
Das Erhitzen erfolgt unter einer Argonschutzatmosphäre. Die Platte wurde in Umgebungsatmosphäre innerhalb etwa einer Sekunde abgekühlt. Unter diesen Bedingungen war die Platte nach einem einzigen Erhitzungs- und Abkühlzyklus unter einem Winkel 8 von 2,8º gebogen.Heating is carried out under an argon protective atmosphere. The plate was cooled in ambient atmosphere within about one second. Under these conditions, the plate was bent at an angle 8 of 2.8º after a single heating and cooling cycle.
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