Warmumformendes Titan

Ungefähr zwei Drittel des gesamten jährlich produzierten Titans werden in Flugzeugtriebwerken und -rahmen verwendet. Foto mit freundlicher Genehmigung von Airbus

Beckwood baute diese 400 Tonnen schwere hydraulische Warmumformpresse für einen großen Zulieferer von Titanbauteilen für die Luft- und Raumfahrt. Die Druckmaschine verfügt über 48 x 96 Zoll große Platten, die Temperaturen von bis zu 1.800 F erreichen können. Foto mit freundlicher Genehmigung von Beckwood Corp.

Automatisierte isolierte Türsysteme halten die Wärme in der Formkammer und ermöglichen gleichzeitig den Zugang zum Be- und Entladen von Teilen. Bediener benötigen persönliche Schutzausrüstung, einschließlich hitzebeständiger Handschuhe, Armbedeckungen und Augenschutz. Foto mit freundlicher Genehmigung von Beckwood Corp.

Diese Warmumformpresse ist mit elektrischen Mehrzonen-Heizpatronen ausgestattet, die in tiefgebohrten Kanälen installiert sind. Dadurch wird die Temperatur auf ±10 F geregelt. Foto mit freundlicher Genehmigung von Beckwood Corp.

Die beim Warmumformen entstehende starke Hitze führt häufig zu einem Formverzug. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, hat Beckwood die Active Leveling Control (ALC)-Technologie entwickelt. Mithilfe eines geschlossenen Überwachungssystems hält ALC eine Parallelität zwischen Bett und Stößel von ±0,004 Zoll aufrecht. Foto mit freundlicher Genehmigung von Beckwood Corp.

Zur Herstellung dieser Titan-Luft- und Raumfahrtkomponenten wurde Warmumformung eingesetzt. Foto mit freundlicher Genehmigung von MSM Aerospace Fabricators

Titan hat von allen Metallen das höchste Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Es ist genauso stark wie manche Stähle, aber 45 Prozent leichter. Titan wird außerdem für seine Korrosionsbeständigkeit, Ermüdungsbeständigkeit, Rissbeständigkeit und seine Fähigkeit, mäßig hohen Temperaturen standzuhalten, ohne zu kriechen, geschätzt.

Daher wird Titan zur Herstellung einer Vielzahl von Luft- und Raumfahrtkomponenten verwendet, darunter Strukturteile, Rippen, Brandschutzwände und Fahrwerke. In Strahltriebwerken wird Titan für Rotoren, Kompressorschaufeln, hydraulische Komponenten und Gondeln verwendet. Tatsächlich werden etwa zwei Drittel des gesamten jährlich produzierten Titans in Flugzeugtriebwerken und -rahmen verwendet. Die Boeing 777 enthält etwa 59 Tonnen Titan, während der Airbus A340 32 Tonnen des Metalls enthält.

Die Eigenschaften, die Titan für Komponenten in der Luft- und Raumfahrt so großartig machen, erschweren auch die Umformung. Zur Herstellung vieler Titanlegierungen können herkömmliche Kaltumformtechniken eingesetzt werden. Allerdings kann die Rückfederung ein Problem darstellen und Risse in Biegeradien sind häufig.

Durch die Zugabe von Wärme zum Prozess werden diese Probleme gelöst. Bei der Warmumformung handelt es sich um einen Prozess, bei dem Titan und andere hochfeste Legierungen auf extreme Temperaturen erhitzt werden, wodurch sie in einem weichen, formbaren Zustand in der Presse umgeformt werden können. Bei der Warmumformung wird ein kalter oder leicht erwärmter Rohling während des Presszyklus über beheizte Aufspannplatten erhitzt. Die Einbringung von Wärme in die Presse erhöht die Fähigkeit, komplexe Formen bei geringeren Tonnagen zu formen, ohne dass Bruch, Rückfederung oder Restspannungen befürchtet werden müssen. Da die Formbarkeit des Materials erhöht wird, erreichen Warmumformpressen in der Regel deutlich geringere Presskräfte als Kaltumformpressen mit gleicher Funktion.

Die Zykluszeit liegt zwischen 10 und 30 Minuten. Teile kommen kalt hinein, kommen heiß wieder heraus und haben am Ende eine ähnliche Mikrostruktur wie am Anfang.

Automatisierte isolierte Türsysteme halten die Wärme in der Formkammer und ermöglichen gleichzeitig den Zugang zum Be- und Entladen von Teilen. Bediener benötigen persönliche Schutzausrüstung, einschließlich hitzebeständiger Handschuhe, Armbedeckungen und Augenschutz. Foto mit freundlicher Genehmigung von Beckwood Corp.

Die fertigen Teile sind nicht weich. In der Regel müssen sich Ingenieure beim Entnehmen aus der Presse keine Gedanken über das Einprägen von Materialhandhabungsmerkmalen auf das Teil machen. Da der Temperaturunterschied zwischen Maschine und Werksboden so groß ist, kühlt das Teil beim Öffnen der Tür fast sofort auf einen nicht weichen Zustand ab.

Ein ähnlicher Prozess ist das superplastische Umformen (SPF). Beim Warmumformen werden Werkzeug und Rohling von 900 auf 1.600 F erhitzt. SPF verwendet höhere Temperaturen – bis zu 2.000 F – in Verbindung mit Argongas, um das Metall zu formen. Während des Zyklus wird das erhitzte Material zwischen einer Matrize und einer Platte eingespannt. Anschließend wird Argongas in die Formkammer injiziert und der Rohling in die Matrize gedrückt. Die Zykluszeit liegt zwischen 20 und 40 Minuten oder mehr.

Die resultierenden Teile haben eine feine Oberflächengüte und sind nahezu endkonturnah, sodass keine Nachbearbeitung erforderlich ist. Während sich die Werkzeuge für die Warmumformung nicht wesentlich von herkömmlichen zweiteiligen Werkzeugen unterscheiden, sind SPF-Werkzeuge nicht miteinander verbunden, da Gas verwendet wird, um Kraft auf das Metall auszuüben.

Beckwood Corp. mit Sitz in St. Louis stellt seit 1976 hydraulische und elektrische Pressen und Umformmaschinen her. Das Unternehmen hat eine Reihe spezieller Warmumform- und SPF-Pressen für die Umformung von Aluminium, Titan und anderen hochfesten Legierungen entwickelt. Pressengröße, Tonnage, Zyklusparameter, Wärmespezifikationen, Plattenmaterialien und Steuerungen können alle an die Anforderungen spezifischer Anwendungen angepasst werden.

Die Maschinen sind mit elektrischen Mehrzonen-Heizpatronen ausgestattet, die in gelochten Durchgängen installiert sind. Eingebettete Thermoelemente sorgen für eine Temperaturrückmeldung und messen die Atmosphärentemperatur, und Thermoelementbuchsen können zum Messen und Aufzeichnen von Werkzeugtemperaturen verwendet werden. Dies regelt die Temperatur auf ±10 F genau und ermöglicht es Ingenieuren, Temperaturabweichungen über die Länge und Breite der Platte zu programmieren.

Um die extremen Temperaturen dieser Prozesse zu bewältigen, sind spezielle Komponenten und Materialien erforderlich. Abhängig von den Anwendungsanforderungen werden die Platten aus Keramik, Edelstahl oder anderen exotischen Metalllegierungen hergestellt.

Die Plattenkästen verfügen über eine Keramikisolierung und sind durch eine thermische Trennung, die aus wassergekühlten Platten und einem geschlossenen Kühlkreislauf besteht, vom Pressenrahmen isoliert. Dies verhindert vorzeitige Rissbildung und sorgt für langfristige Zuverlässigkeit.

Die Wärmekontrolle ist bei der Warmumformung von entscheidender Bedeutung, da sie sich auf die Systemeffizienz und die Betriebskosten auswirkt. Strahlungswärme wird über Hitzeschilde gemanagt. Klimaanlagen kühlen Schalttafeln und Thermoelemente überwachen die Betriebsbedingungen in kritischen Bereichen. Die Heizlebensdauer kann über einzelne Stromwächter oder nach Gruppen überwacht werden.

Bei der Warmumformung gibt es vier wesentliche Prozessvariablen: Kraft, Temperatur, Stößelgeschwindigkeit und Verweilzeit.

Automatisierte isolierte Türsysteme halten die Wärme in der Formkammer und ermöglichen gleichzeitig den Zugang zum Be- und Entladen von Teilen und Werkzeugen. Zu den Sicherheitsmerkmalen gehören Lichtvorhänge, Perimeterschutz, Sperrkontrollen, Bett-Shuttles und schwer entflammbares Hydrauliköl. Bediener benötigen persönliche Schutzausrüstung, einschließlich hitzebeständiger Handschuhe, Armbedeckungen und Augenschutz.

Die starke Hitze, die durch Warmumformung und SPF erzeugt wird, führt häufig zu Formverzug. Um diesem Effekt entgegenzuwirken und die Struktur jeder Presse zu schützen, hat Beckwood die Active Leveling Control (ALC)-Technologie entwickelt. Mithilfe eines Überwachungssystems mit geschlossenem Regelkreis behält ALC während des gesamten Zyklus eine Parallelität zwischen Bett und Stößel von ±0,004 Zoll bei, trotz außermittiger Belastung oder Formverzug.

Weitere Informationen zu Pressen finden Sie unter https://beckwoodpress.com.