Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Umformverfahren für ein Werkstück unter Ausnutzung des elektroplastischen Effekts gemäß den Ansprüchen 1 und 9.

Als Konstruktionswerkstoffe spielen hochfeste Leichtmetalle für Hersteller mobiler Produkte eine immer größer werdende Rolle. Gewichtsreduzierung von Bauteilen bei gleichzeitiger hoher bis höchster Festigkeit ist ein in vielen Branchen angestrebtes Ziel. So gilt es vor allem in der Fahrzeug- und Luftfahrzeugindustrie Gewicht einzusparen, möglichst ohne sich dabei auf bestimmte Fertigungstechniken festzulegen. Vor allem umformtechno-logische Prozesse spielen hierbei eine immer größer werdende Rolle. Allerdings ist die Umformbarkeit hochfester Werkstoffe durch ihre geringe Plastizität eingeschränkt. Bis zum heutigen Zeitpunkt werden entsprechende Werkstoffe, wenn sie mit heutigen Technologien nicht umformbar sind, gegossen oder gar nicht eingesetzt, wenn auch eine spanende Bearbeitung keine brauchbare Alternative darstellt.

Umformungen sind immer auf Versetzungsbewegungen der jeweiligen werkstoffspezifischen Gefügestrukturen zurückzuführen. Diese Versetzungsbewegungen werden durch den Zusammenhalt der jeweiligen Atome untereinander gehemmt. Dieser Zusammenhalt kann durch die Aufhebung der metallischen Bindungen innerhalb des Werkstoffs reduziert oder aufgehoben werden. Dies kann durch verschiedene Mechanismen beeinflusst werden. Zum einen kann durch die Zufuhr von Wärme die Elektronenbewegung innerhalb des Werkstoffs beeinflusst werden. Dieser Effekt wird beim so genannten thermischen Umformen genutzt. Zum anderen können durch das Anlegen eines elektrischen Stroms die metallischen Bindungen innerhalb des Werkstoffs beeinflusst werden. Solche Verfahren, die unter Anlegen eines elektrischen Stroms durch das umzuformende Werkstück realisiert werden, seien nachfolgend als elektrisch unterstützte Umformverfahren bezeichnet.

So ist beispielsweise aus der US 2009/0044590 A I ein Umformverfahren für Metallbleche bekannt, bei dem ein Gleichstrom während des Umformens durch das Werkstück geleitet wird. Da ein permanent anliegender Gleichstrom verwendet wird, sind die erreichbaren Stromdichten relativ gering im Bereich von unter 40 A/mm ² .

Es gibt außerdem Vorschläge, elektrisch unterstützte Umformverfahren mit höheren Stromdichten durchzuführen. Bei höheren Stromdichten kann nämlich ein weiterer Effekt beobachtet werden, der so genannte elektroplastische Effekt. Unter dem elektroplastischen Effekt versteht man den Einfluss eines sehr hohen kurzzeitig fließenden elektrischen Stroms

BESTÄTIGUNGSKOPIE auf das Materialgefüge polykristalliner Metalle. Untersuchungen haben ergeben, dass der elektroplastische Effekt Stromdichten im Bereich mehrerer 100 A/mm ² erfordert.

Aus der Veröffentlichung "Research of electroplastic rolling of AZ3 1 MG alloy strip", Zhuohui Xu et al., Journal of Materials Processing Technology 182 (2007), Seiten 128-133, geht eine Untersuchung der Auswirkungen des elektroplastischen Effekts auf einen Walzprozess hervor. Die Versuche wurden zusätzlich mit der bei einem Walzprozess üblichen Unterstützung durch thermisches Umformen durchgeführt. Hierbei wurde das zu walzende Material auf eine Temperatur von etwa 250 °C erwärmt.

Die zuvor erläuterten Untersuchungen eines Walzverfahrens mit Unterstützung durch einen elektroplastischen Effekt haben jedoch auch noch nicht zu einer praktisch umsetzbaren und industriell verwendbaren Methode geführt, die ein Umformen schwierig umformbarer Werkstoffe, wie z.B. hochfeste Leichtmetalle, verbessern oder erst möglich machen könnte.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Umformverfahren für ein Werkstück unter Ausnutzung des elektroplastischen Effekts anzugeben, das mit heutzutage verfügbarer Technologie hinsichtlich der notwendigen Stromdichte praktisch realisierbar ist und ein Umformen hochfester Leichtmetalle erlaubt.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 9 angegebenen Ausführungsformen der Erfindung gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung an. Die Erfindung hat den Vorteil, durch Verwendung von kurzen elektrischen Stromimpulsen eine Ausnutzung des elektroplastischen Effekts zu ermöglichen, die sowohl energiesparend ist als auch das Werkstück infolge der Stromwärme nicht unerwünscht stark erwärmt. Zudem sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass die Temperatur des Werkstücks, zumindest im umzuformenden Bereich, unterhalb der für ein thermisches Umformen erforderlichen materialspezifischen Mindesttemperatur liegt. Es wurde nämlich festgestellt, dass eine Umformung hochfester Legierungen im erwärmten Zustand zwingend zu einer Rissbildung führt, die auch mit einer anschließenden Wärmebehandlung nicht vollständig ausgeheilt werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass auf eine aufwendige und energieverzehrende Erwärmung des Materials verzichtet werden kann. Insbesondere sind hierdurch die ansonsten erforderlichen Hilfsmittel für eine Erwärmung des Werkstücks, wie z.B. eine Heizeinrichtung, entbehrlich. Die Vermeidung einer entsprechend hohen Temperatur des Werkstücks hat den weiteren Vorteil, dass temperaturbedingte unerwünschte Effekte auf die Körnung des Werkstoffes vermieden werden können. Insbesondere erfolgt während der elektroplastischen Umformung kein unerwünschtes Kornwachstum und keine unerwünschte Kornfeinung.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass Werkstücke auch bei Raumtemperatur umgeformt werden können, die bei Verfahren gemäß dem Stand der Technik nur unter entsprechender zusätzlicher Wärmebehandlung umformbar waren. Dies hat den Vorteil, dass nahezu keine Gefügebeeinträchtigungen eintreten, die bei früheren Verfahren gemäß dem Stand der Technik infolge der Wärmebeaufschlagung nicht vermeidbar waren.

Die Erfindung hat den weiteren Vorteil, dass auch hochfeste Werkstoffe mit weniger oder sogar ohne Rissbildungen umgeformt werden können. Die Erfindung eignet sich besonders für bisher problematisch umformbare Werkstoffe, insbesondere Werkstoffe mit Zwischenphasen (intermetallische Phasen) wie z.B. Aluminium, Stahl, Titan, Kupfer und Legierungen dieser Metalle. Die Zwischenphasen haben den Effekt, dass das Material relativ spröde ist und damit an schlecht umformbar ist. Die Erfindung eignet sich insbesondere für Anwendungen zum Drahtziehen und zum Walzen, insbesondere für die Herstellung von Blechen für die Automobil- und Luftfahrtindustrie.

Eine weitere vorteilhafte Anwendung der Erfindung liegt im Bereich des Strangpressens. Beim Strangpressen wird ein in der Regel zylindrischer Rohling mit einem Stempel durch eine Matrize gedrückt. Die beim Strangpressen erforderlichen massiven Umformungen können durch das erfindungsgemäße Beaufschlagen mit den elektrischen Strompulsen unter Ausnutzung des elektroplastischen Effekts vorteilhaft unterstützt werden. Es hat sich gezeigt, dass die beim Strangpressen üblicherweise verwendeten, relativ großen Querschnitte des Ausgangsmaterials überraschenderweise kein Hindernis für die Erzeugung des elektroplastischen Effekts sind, insbesondere nicht für die Erzeugung der dafür erforderlichen hohen Stromdichten. Es zeigt sich nämlich, dass bei Beaufschlagung der Strangpressmatrize mit den elektrischen Stromimpulsen der Strom einen Weg durch die Bereiche höchster Flächenpressung nimmt und sich damit sozusagen seinen Weg zu entsprechend kleinen Querschnitten des Materials selbstständig sucht. Auf diese Weise können Strangpressumformvorgänge in grundsätzlich allen Bereichen, z.B. bei der Herstellung von Stäben, Drähten, Rohren und unregelmäßig geformten Profilen, verwendet werden. So kann die Erfindung auch z.B. zur Herstellung von Stents für medizinische Anwendungen, die durch Strangpressen hergestellt werden, vorteilhaft eingesetzt werden. Soweit im Rahmen dieser Anmeldung auf den umzuformenden Bereich Bezug genommen wird, z.B. bezüglich der Temperatur oder der Stromdichte, sei dies so zu verstehen, die entsprechende Behandlung des Werkstücks wenigstens in dem umzuformenden Bereich vorgenommen werden soll, aber auch in anderen Bereichen vorgenommen werden kann.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Stromdichte im umzuformenden Bereich größer als 800 A/mm ² . Insbesondere ist die Stromdichte größer 1 .000 A/mm ² . Dies hat den Vorteil, dass die Plastizität des Werkstücks im umzuformenden Bereich deutlich erhöht wird, was eine einfache und zügige Umformung unter gleichzeitiger Vermeidung von Rissbildungen erlaubt.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung beträgt die Impulsdauer eines Stromimpulses bzw. jedes Stromimpulses weniger als 10 μβ, insbesondere weniger als 1 μβ. Dies hat den Vorteil, dass bei relativ kostengünstiger schaltungstechnischer Realisierung der Stromimpuls-Erzeugungsvorrichtung hohe Ströme realisierbar sind. Zudem kann durch derart kurze Stromimpulse eine unerwünschte Erwärmung des Werkstücks im umzuformenden Bereich vermieden werden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Beaufschlagungsdauer mit den Stromimpulsen größer als 10 ms. Dies hat den Vorteil, dass eine Beaufschlagung mit Stromimpulsen auch über einen derart langen Zeitraum erfolgen kann, der für eine vollständige Umformung des Werkstücks im umzuformenden Bereich erforderlich ist. Hierdurch ist ein zügiges Umformen möglich, so dass die Einsatzbreite und die Anwendungsgebiete des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren deutlich erweitert werden können.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Tastverhältnis der Stromimpulse kleiner als 1 : 1.000, insbesondere kleiner als 1 : 10.000. Dies erlaubt eine Beaufschlagung des Werkstücks mit den Stromimpulsen über einen relativ langen Zeitraum bei zugleich kosten-günstiger Realisierung der Stromimpuls-Erzeugungsvorrichtung. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch das erwähnte, relativ kleine Tastverhältnis eine unerwünschte Erwärmung des Werkstücks im umzuformenden Bereich vermieden werden kann. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Stromimpulse sowohl hinsichtlich ihrer ansteigenden Flanke als auch hinsichtlich ihrer abfallenden Flanke steilflankig, wobei die Flankendauer der ansteigenden Flanke und der abfallenden Flanke weniger als 30% der Impulsdauer beträgt. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung beträgt die Flankendauer der ansteigenden Flanke und der abfallenden Flanke weniger als 10% der Impulsdauer. Dies erlaubt ebenfalls eine Vermeidung einer unerwünschten Erwärmung des Werkstücks im umzuformenden Bereich während der Umformung des Werkstücks unter Ausnutzung des elektroplastischen Effekts.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine Vorrichtung zur elektrischen Beaufschlagung des umzuformenden Bereichs mit den Stromimpulsen vorhanden. Die Vorrichtung wird zusätzlich für eine Wärmebehandlung des Werkstücks verwendet. Hierbei wird das Werkstück durch diese Vorrichtung im umzuformenden Bereich mit Strom oder Stromimpulsen mit einer Amplitude, die zur Erzeugung des elektroplastischen Effekts . nicht ausreichend ist, beaufschlagt. Hierdurch wird das Werkstück erwärmt. Die Erwärmung kann dabei auf eine gewünschte Temperatur gesteuert oder geregelt werden. Dies hat den Vorteil, dass ein und dieselbe Vorrichtung zur elektrischen Beaufschlagung des Werkstücks sowohl für die Erzeugung des elektroplastischen Effekts als auch für eine Wärmebehandlung des Werkstücks verwendet werden kann. Hierdurch kann auf zusätzliche Beheizungseinrichtungen verzichtet werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt vor der Umformung unter Ausnutzung des elektroplastischen Effekts gemäß Anspruch 1 ein erster Schritt der Wärmebehandlung des Werkstücks, bei dem ein Kornwachstum wenigstens in dem umzuformenden Bereich erzeugt wird. Es hat sich nämlich überraschenderweise gezeigt, dass durch eine solche Wärmevorbehandlung und ein Kornwachstum die Wirkung der nachfolgenden Umformung unter Ausnutzung des elektroplastischen Effekts verbessert werden kann. Die herrschende Lehre geht an sich davon aus, dass für einen Umformprozess ein möglichst feinkörniger Werkstoff günstiger ist, weil dieser weniger zur Rissbildung neigt. Daher gehört es zur herrschenden Lehre, bei einem Umformverfahren einer Kornvergrößerung entgegenzuwirken, um das Risiko der Rissbildung zu minimieren. Beim Umformverfahren gemäß Anspruch 1 hat sich jedoch gezeigt, dass mit einer Kornvergrößerung eine verbesserte Umformung ohne erhöhtes Risiko der Rissbildung möglich ist.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt in dem ersten Schritt der Wärmebehandlung eine Erwärmung des Werkstücks im umzuformenden Bereich auf eine Temperatur, die kleiner oder gleich der Rekristallisationstemperatur des Werkstücks im umzuformenden Bereich ist.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt nach der Umformung unter Ausnutzung des elektroplastischen Effekts gemäß Anspruch 1 ein zweiter Schritt der Wärmebehandlung des Werkstücks, bei dem eine Rissheilung erzeugt wird. Dies hat den Vorteil, dass das Werkstück wieder in einen Zustand hoher Oberflächengüte und Stabilität versetzt werden kann.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt in dem zweiten Schritt der Wärmebehandlung eine Erwärmung des Werkstücks im umzuformenden Bereich auf eine Temperatur, die kleiner oder gleich der Solidustemperatur ist und größer oder gleich der Rekristallisationstemperatur des Werkstücks im umzuformenden Bereich ist.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt nach der Umformung unter Ausnutzung des elektroplastischen Effekts gemäß Anspruch 1 ein dritter Schritt der Wärmebehandlung des Werkstücks, bei dem eine Kornfeinung wenigstens in dem umzuformenden Bereich erzeugt wird. Dies hat den Vorteil, dass die ursprüngliche Kornstruktur des Werkstücks zumindest annähernd wieder hergestellt werden kann, so dass das Werkstück auch nach dem gesamten Umformvorgang wieder die gewünschten Eigenschaften hat, insbesondere hinsichtlich Elastizität und Rissfestigkeit.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt in dem dritten Schritt der Wärmebehandlung eine Erwärmung des Werkstücks im umzuformenden Bereich auf eine Temperatur, die kleiner oder gleich der Rekristallisationstemperatur des Werkstücks im umzuformenden Bereich ist.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt der dritte Schritt der Wärmebehandlung nach dem zweiten Schritt der Wärmebehandlung.

Die Festlegung der Temperatur der Erwärmung bzw. des Temperaturverlaufs für die Kornvergrößerung bzw. die Kornfeinung kann gemäß dem jeweiligen materialspezifischen ZTU-Schaubild (Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Schaubild) der Werkstoffkunde erfolgen.

Hierdurch kann ein thermokonduktives Umformverfahren mit folgenden Schritten bereitgestellt werden:

1. Bereitstellung eines Werkstücks,

2. Wärmebehandlung des Werkstücks zur Verursachung von Kornwachstum,

3. Umformvorgang des Werkstücks unter Ausnutzung des elektroplastischen Effekts, wie in Anspruch 1 angegeben,

. Erwärmung des Werkstücks auf eine Temperatur gleich oder kleiner der Solidustemperatur und größer oder gleich der Rekristallisationstemperatur des Werkstücks im umzuformenden Bereich, zur Heilung von Rissbildungen, 5. Wärmebehandlung zur ornfeinung.

Zwischen der Wärmebehandlung und dem Umformvorgang unter Ausnutzung des elektroplastischen Effekts kann eine Abkühlungspause vorgesehen werden. Der Umformvorgang kann jedoch auch direkt anschließend an die Wärmebehandlung erfolgen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung betrifft die Erfindung ferner ein Umformverfahren für ein Werkstück unter Ausnutzung des elektroplastischen Effekts, wobei das Werkstück zumindest im umzuformenden Bereich elektrisch leitfähig ist, das Werkstück im umzuformenden Bereich während einer Kraftbeaufschlagung wenigstens so lange mit einer Vielzahl von kurzen elektrischen Stromimpulsen mit einer Amplitude, die zur Erzeugung des elektroplastischen Effekts ausreichend ist, beaufschlagt wird, bis eine gewünschte Umformung des umzuformenden Bereichs erreicht ist, wobei die Vielzahl von kurzen elektrischen Stromimpulsen wenigstens eine Folge von elektrischen Stromimpulsen aufweist, bei der der erste Stromimpuls eine größere Amplitude aufweist als die nachfolgenden weiteren Stromimpulse der Folge. Es ist vorteilhaft, wenn der erste Stromimpuls wenigstens die doppelte Amplitude aufweist wie die nachfolgenden weiteren Stromimpulse der Folge, oder wenigstens die vierfache Amplitude. Dies hat den Vorteil, dass bisher schwierig oder gar nicht umformbare Metalle nun Umformprozessen zugänglich werden. Das Vorsehen einer Folge oder ggf. mehreren Folgen von elektrischen Stromimpulsen hat den Vorteil, dass zwischen den Folgen Pausen vorgesehen sein können, in denen das Werkstück wieder abkühlen kann, so dass eine gewünschte, unterhalb eines Grenzwertes liegende Temperatur des Werkstückes während des Umformvorganges beibehalten werden kann. Dies hat den Vorteil, dass der Umformvorgang ohne eine unerwünscht starke Erwärmung durchgeführt werden kann, so dass auch eine in vielen Fällen unerwünschte Änderung der Kristallstrukturen aufgrund einer Erwärmung vermieden werden kann.

Ein weiterer Vorteil der Anwendung einer Folge von elektrischen Stromimpulsen, bei der der erste Stromimpuls eine größere Amplitude aufweist als die nachfolgenden weiteren Stromimpulse der Folge, ist, dass die Unterstützung des Umformens durch den elektroplastischen Effekt auch mit einer im Mittel geringeren Stromstärke und damit mit einem geringeren Energieeintrag in das Werkstück durchgeführt werden kann. Dies kommt einerseits der Vermeidung einer unerwünschten Erwärmung des Werkstücks zugute. Ein weiterer Vorteil ist, dass eine Einrichtung zur Erzeugung der Stromimpulse einfacher und mit geringerem Aufwand aufbaubar ist. Der erste Stromimpuls einer Folge kann z. B. eine Amplitude von 4000 A/mm ² aufweisen, die folgenden Stromimpulse z. B. 1000 A/mm ² . Es wurde durch Versuche herausgefunden, dass eine solche Folge von elektrischen Stromimpulsen mit einem besonders ausgeprägt starken Stromimpuls zu Beginn zu guten Umformergebnissen auch bei schwer umformbaren Metallen führt. Die weiteren Stromimpulse können dann eine wesentlich geringere Amplitude aufweisen, wenn sie relativ schnell auf den ersten Stromimpuls folgen. Durch die Stromimpulse werden Versetzungen in dem Material des Werkstücks hervorgerufen, die deren Umformbarkeit verbessern. So können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren technische Bauteile, wie z. B. eine Turbinenschaufel aus einer Nickel-Kobalt-Legierung, die bisher nur mit einem Gießvorgang herstellbar war, nun auch durch Umformverfahren hergestellt werden. Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Herstellung von Stents aus bisher schwer umformbaren Magnesiumlegierungen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Vielzahl von kurzen elektrischen Stromimpulsen mehrere Folgen von elektrischen Stromimpulsen auf, mit denen das Werkstück im Verlaufe der Umformung beaufschlagt wird, bei denen der jeweilige erste Stromimpuls eine größere Amplitude aufweist als die nachfolgenden weiteren Stromimpulse der jeweiligen Folge. Auf diese Weise kann das Umformverfahren im gesamten Verlaufe der Umformung durch den elektroplastischen Effekt auf energiesparende und das Werkstück nicht unerwünscht stark erwärmende Weise unterstützt werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird wenigstens eine der Folgen von Stromimpulsen gestartet, wenn die Materialspannung im Werkstück zumindest in dem umzuformenden Bereich einen vorbestimmten mechanischen Spannungswert erreicht oder überschreitet. Ein solches materialspannungs-abhängiges Starten von Folgen von Stromimpulsen kann für eine, mehrere oder alle der Folgen von elektrischen Stromimpulsen vorgesehen sein. Die Materialspannung kann hierbei entweder gemessen oder rechnerisch aus der Kraftbeaufschlagung des Werkstücks und dessen geometrischen Daten während des Umformverfahrens bestimmt werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden der zweite und die ggf. vorhandenen weiteren Stromimpulse einer Folge innerhalb der Nachwirkphase des ersten Stromimpulses der Folge erzeugt, wobei die Nachwirkphase vom ersten Stromimpuls bis zum Minimum des durch den ersten Stromimpuls herbeigeführten Einbruchs der Materialspannung im Werkstück zumindest in dem umzuformenden Bereich läuft. Es wurde herausgefunden, dass zeitlich dicht auf den ersten Stromimpuls folgende weitere Stromimpulse die beste Wirkung für die Erzeugung von Versetzungen im Material des Werkstücks haben. Die Nachwirkphase kann durch ein zeitliches Maß begrenzt sein. Z. B. kann als Ende der Nachwirkphase der Zeitpunkt des Wiederanstiegs der Materialspannung im Werkstück zumindest in dem umzuformenden Bereich herangezogen werden, der sich ergeben würde, wenn nur der erste Stromimpuls mit der größeren Amplitude erzeugt werden würde. Dieser Zeitpunkt kann materialspezifisch durch Versuche ermittelt werden. Die Nachwirkphase kann auch durch ein Wegmaß begrenzt sein. Z. B. kann das Ende der Nachwirkphase angenommen werden, wenn der in Folge des Umformens des Werkstücks zurückgelegte Weg ein Maß erreicht hat, bei dem die Materialspannung zumindest in dem umzuformenden Bereich wieder ansteigen würde, wenn nur der erste Stromimpuls mit der größeren Amplitude erzeugt werden würde. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Ende der Nachwirkphase in Abhängigkeit von der gemessenen oder berechneten Materialspannung in dem umzuformenden Bereich festzulegen. Vorteilhaft sind daher alle Stromimpulse einer Folge innerhalb der Nachwirkzeit erzeugt, wobei bei manchen Materialien auch die Folge der Stromimpulse auf einen Teil der Nachwirkzeit begrenzt werden kann. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung werden daher der zweite und die ggf. vorhandenen weiteren Stromimpulse einer Folge innerhalb von 80 % der Nachwirkzeit des ersten Stromimpulses der Folge erzeugt, gerechnet ab dem ersten Stromimpuls. Das ist insbesondere bei Werkstücken aus Eisen oder einer Eisenlegierung vorteilhaft. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden der zweite und die ggf. vorhandenen weiteren Stromimpulse einer Folge innerhalb von 50 % der Nachwirkzeit des ersten Stromimpulses der Folge erzeugt, wiederum gerechnet ab dem ersten Stromimpuls. Dies ist z. B. bei einem Werkstück auf Kupfer oder einer Kupferlegierung vorteilhaft.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist nach einer Folge von Stromimpulsen eine Pause vorgesehen, in der das Werkstück nicht mit elektrischen Stromimpulsen mit einer Amplitude, die zur Erzeugung des elektroplastischen Effektes ausreichend ist, beaufschlagt wird. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das Werkstück während einer Pause überhaupt nicht mit Strom beaufschlagt. Hierdurch kann das Werkstück abkühlen oder wird zumindest nicht weiter erwärmt.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Pausendauer so bemessen, dass sich das Werkstück nicht auf eine Temperatur oberhalb eines vorbestimmten Temperaturwertes erwärmt. Hierdurch kann vorteilhaft eine Erwärmung des Werkstücks auf Temperaturen vermieden werden, die zu unerwünschten Veränderungen in der KristaUstruktur des Werkstücks führen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besteht das Werkstück aus einem Material mit einer ersten elektrischen Leitfähigkeit. Dem Material wird vor der Umformung unter Ausnutzung des elektroplastischen Effekts gemäß den zuvor beschriebenen Verfahren ein Material mit einer zweiten elektrischen Leitfähigkeit zulegiert, wobei die zweite elektrische Leitfähigkeit höher ist als die erste elektrische Leitfähigkeit. Es wurde festgestellt, dass sich das Hinzulegieren eines solchen stärker elektrisch leitfähigen Materials günstig auf die Bildung von Versetzungen in dem Werkstück aufwirkt, die durch die elektrischen Stromimpulse hervorgerufen werden. So kann z. B. einem Werkstück aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung Kupfer zulegiert werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besteht das Werkstück aus einem Material mit einer ersten Duktilität. Dem Material wird vor der Umformung unter Ausnutzung des elektroplastischen Effekts gemäß den zuvor beschriebenen Verfahren ein Material mit einer zweiten Duktilität zulegiert, wobei die zweite Duktilität höher ist als die erste Duktilität. Dies kann ebenfalls durch das Zulegieren z. B. von Kupfer zu Aluminium oder Aluminiumlegierungen erfolgen. Durch das Zulegieren eines Materials mit höherer Duktilität werden bessere Umformungseigenschaften (Plastizitäten) des Werkstücks erreicht. Allerdings geht damit einher, dass das Werkstück durch den steigenden Anteil von Material mit höherer Duktilität insgesamt weicher ist, was bei herkömmlichen Herstellungsverfahren die Konsequenz hat, dass das gefertigte Endprodukt ebenfalls weicher und weniger fest ausfällt als ohne das Zulegieren des Materials mit der höheren Duktilität. Überraschender Weise wurde bei dem erfindungsgemäßen Umformverfahren, bei dem der elektroplastische Effekt genutzt wird, festgestellt, dass das Endprodukt trotz des Zulegierens des weicheren Werkstoffs wieder härter und fester ausfällt als bei herkömmlichen Herstellungsverfahren. Dies wurde am Beispiel einer AlCu Legierung untersucht. So werden durch den Umformprozess mechanisch provozierte Versetzungen unter Verwendung des elektroplastischen Effektes, der elektrisch provozierte Versetzungen hervorruft, die Kupferausscheidungen im Korn gelöst, mit der Konsequenz, dass sich die Festigkeits- und Härteeigenschaften verbessern. Im Vergleich hierzu lösen sich Kupferausscheidungen bei einer durch Wärme verursachten Gefügebehandlung an den Korngrenzen und nicht im Kern, mit der Konsequenz, dass hierbei der Werkstoff an Festigkeit verliert. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird damit der Vorteil erzielt, dass zu Beginn des Umformprozesses die umformfreundlicheren Werkstoffeigenschaften vorliegen, so dass aus einem vergleichsweise weichen Werkstoff im Zuge des Umformverfahrens ein festerer oder zumindest gleich harter Werkstoff entsteht. Derselbe Effekt kann z. B. bei Zulegieren von Kohlenstoff zu einem Werkstück aus Stahl festgestellt werden.

Die eingangs erläuterte erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umformverfahrens gemäß Anspruch 1 und deren Weiterbildungen können vorteilhaft mit der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 9 und deren Weiterbildungen kombiniert werden.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur elektrischen Beaufschlagung eines Werkstücks in einem umzuformenden Bereich mit einer Vielzahl von kurzen elektrischen Stromimpulsen mit einer Amplitude, die zur Erzeugung des elektroplastischen Effektes ausreichend ist, wobei die Vorrichtung zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist. Die Vorrichtung weist insbesondere eine Steuereinrichtung auf, die zur Steuerung der Erzeugung einer oder mehrerer Folgen von elektrischen Stromimpulsen eingerichtet ist, bei der der erste Stromimpuls eine größere Amplitude aufweist als die nachfolgenden weiteren Stromimpulse der Folge. Die Steuereinrichtung weist einen Rechner mit einem Steuerprogramm auf, wobei die Steuereinrichtung zur Ausführung eines Verfahrens der zuvor genannten Art eingerichtet ist, wenn das Steuerprogramm auf dem Rechner ausgeführt wird. Die Erfindung betrifft ferner ein auf einem Datenträger gespeichertes Steuerprogramm, durch das ein Verfahren der zuvor erläuterten Art ausgeführt wird, wenn das Steuerprogramm auf einem Rechner ausgeführt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendungen von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen

Figur 1 - den prinzipiellen Aufbau einer Umformvorrichtung und

Figur 2 - eine Erzeugungsvorrichtung für Stromimpulse und

Figur 3 - Stromimpulse in einem Zeitdiagramm und

Figur 4 - Versuchsergebnisse mit einer Umformvorrichtung gemäß Figur 1 und

Figur 5 eine Anwendung des Umformverfahrens beim Walzen von Werkstücken und

Figuren

6 bis 8 - Fließkurven von Werkstücken und

Figur 9 - ein Kraft-Weg-Diagramm eines Umformvorgangs und

Figur 10 - einen Umformvorgang mit Folgen von elektrischen Stromimpulsen.

In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen und Symbole für einander entsprechende Elemente und Größen verwendet. Die Figur 1 zeigt eine Stromimpuls-Erzeugungsvorrichtung 1 , die als Vorrichtung zur elektrischen Beaufschlagung des umzuformenden Bereichs des Werkstücks mit Stromimpulsen verwendet wird. Die Stromimpuls-Erzeugungsvorrichtung sei nachfolgend auch kurz als Stromimpulserzeuger bezeichnet.

Dargestellt ist ferner ein Werkstück 2 mit einem umzuformenden Bereich 3, das zwischen einer ortsfesten Haltevorrichtung 4 und einer Zugvorrichtung 5 eingespannt ist. Über die Zugvorrichtung 5 kann eine Zugkraft F auf das Werkstück 2 erzeugt werden. Im Kraftfluss der Zugkraft F ist ferner ein Kraftsensor 6 angeordnet. Der Kraftsensor 6 ist über eine elektrische Leitung mit einem Messgerät 7, z.B. einem Oszilloskop, verbunden. Über das Messgerät kann die vom Kraftsensor 6 erfasste Kraft graphisch als Kraft/Zeit-Diagramm dargestellt werden.

Die Zugvorrichtung 5 kann auf eine bestimmte erwünschte Kraftbeaufschlagung eingestellt werden. Der Stromimpulserzeuger 1 ist über elektrische Leitungen 8, 9 mit Kontaktstellen des Werkstücks 2 derart verbunden, dass ein Stromfluss durch den umzuformenden Bereich 3 erzeugt werden kann. Der Stromimpulserzeuger 1 kann während der Kraftbeaufschlagung durch die Zugvorrichtung 5 das Werkstück 2 mit Stromimpulsen derart beaufschlagen, dass der elektroplastische Effekt zumindest im umzuformenden Bereich 3 hervorgerufen wird. Mit der Einrichtung gemäß Figur 1 wurden Untersuchungen angestellt, deren Ergebnisse später noch anhand der Figur 4 erläutert werden.

Die Figur 2 zeigt weitere Details des Stromimpulserzeugers 1. Der Stromimpulserzeuger 1 weist eine Stromquelle 20 auf, die z.B. in Form eines Schweißgleichrichters bereitgestellt werden kann. Verbunden mit der Stromquelle 20 ist eine Anordnung von Kondensatoren 21 , die vorteilhaft als Hochkapazitätskondensatoren ausgebildet sind. Die Kondensatoren 21 können beispielsweise als Helmholtz-Kondensatoren mit einer Kapazität von 3.000 F pro Kondensator ausgebildet sein. Zur Realisierung einer ausreichenden Spannungsfestigkeit können hierbei mehrere Kondensatoren in Reihe und zugleich Gruppen von in Reihe geschalteten Kondensatoren parallel zueinander geschaltet sein. Vorteilhaft wird hierdurch eine Kondensatoranordnung mit einer Spannungsfestigkeit von z.B. 90 V und einem Kapazitätswert von z.B. 260 F realisiert. Die Kondensatoranordnung 21 ist über einen Transistorleistungsschalter 22 sowie eine Sicherung 23 mit der Primärwicklung eines Impulstransformators 24 verbunden. Die Sekundärwicklung des Impulstransformators 24 ist mit elektrischen Anschlusskontakten 25, 26 verbunden, die zum Anschluss der elektrischen Verbindungsleitungen 8, 9 dienen. Der Transistorleistungsschalter wird über einen Impulsgeber 27 angesteuert. Über den Impulsgeber 27 wird die Dauer und die Wiederholrate der Stromimpulse festgelegt. Der Transistorleistungsschalter 22 weist zudem eine Kühlung auf, z.B. in Form einer Wasserkühlung. Hierfür ist ein Kühlmittelzulaufanschluss 28 sowie ein Kühlmittelabflussanschluss 29 vorgesehen.

Die Figur 3 zeigt in qualitativer Darstellung den Verlauf von Stromimpulsen. Über die Zeit dargestellt ist die Stromdichte J, d.h. der Strom dividiert durch den Materialquerschnitt des Werkstücks im umzuformenden Bereich, angegeben z.B. in der Einheit A/mtn ² .

Die Stromimpulse weisen eine Amplitude der Größe JH auf. Die Periodendauer der Stromimpulse, d.h. die Wiederholrate, beträgt TP. Die ansteigende Flanke eines Stromimpulses hat die Dauer Tl , die abfallende Flanke die Dauer T2. Die Pulsdauer TH wird bestimmt als die Zeit zwischen den Zeitpunkten, zu denen die ansteigende Flanke die Hälfte der Stromamplitude JH erreicht und die abfallende Flanke wiederum die Hälfte der Stromamplitude JH erreicht. Das Tastverhältnis der Stromimpulse ist definiert als der Quotient TH/TP.

Die Figur 4 zeigt verschiedene Messungen, die mit der Anordnung gemäß Figur 1 aufgenommen wurden. Hierbei wurde das Werkstück 2 einem einachsigen Zugversuch unterworfen. Während einer Kraftbeaufschlagung mit der Kraft F wurde das Werkstück 2 durch den Stromimpulserzeuger 1 mit den Stromimpulsen beaufschlagt, so dass der elektroplastische Effekt hervorgerufen wird. Das Einschalten der Stromimpulse ist an den verschiedenen Kurven an einem plötzlichen Abfall der durch den Kraftsensor 6 gemessenen Kraft erkennbar.

An der Ordinate ist die durch den Kraftsensor 6 ermittelte Kraft in Newton dargestellt. An der Abzisse ist die Prüfzeit in Sekunden dargestellt. Die Kurvenverläufe 40 und 41 zeigen die Auswirkungen der elektrischen Stromimpulse anhand einer ersten Metalllegierung, wobei bei der Kurve 40 ein relativ feinkörniger Werkstoff und bei der Kurve 41 ein relativ grobkörniger Werkstoff verwendet wurde. Wie erkennbar ist, kann durch eine gröbere Körnung des Werkstoffs eine Verbesserung des Umformverhaltens unter Ausnutzung des elektroplastischen Effekts erzielt werden. In vergleichbarer Weise zeigt die Kurve 42 den Kraftverlauf bei einer zweiten Metalllegierung, die feinkörnig ist, und die Kurve 43 den Kraftverlauf bei der zweiten Metalllegierung in grobkörnigerem Zustand. Analog dazu zeigt die Kurve 44 den Kraftverlauf bei einer dritten Metalllegierung in feinkörnigem Zustand und die Kurve 45 den Kraftverlauf bei der dritten Metalllegierung in grobkörnigerem Zustand.

Die Figur 5 zeigt eine vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Umformverfahrens bei einem Walzprozess. Dargestellt ist eine Walzanlage, die eine Rohmaterialspule 50, ein erstes Führungswalzenpaar 51 , ein Hauptwalzenpaar 52, ein zweites Führungswalzenpaar 53 sowie eine Aufwickelspule 54 aufweist. Das zu walzende Rohmaterial in Form eines Blechbands 55 wird dabei von der Rohmaterialspule 50 abgewickelt, durch das erste Führungswalzenpaar 5 1 etwa auf Höhe des Hauptwalzenpaars 52 durchgeführt, in dem Hauptwalzenpaar 52 auf eine gewünschte verringerte Dicke gewalzt und anschließend über das zweite Führungswalzenpaar 53 der Aufwickelspule 54 zugeleitet. Der Walzvorgang in dem Hauptwalzenpaar 52 wird dabei durch das erfindungsgemäße Umformverfahren unter Ausnutzung des elektroplastischen Effekts unterstützt. Hierfür ist der bereits beschriebene Stromimpulserzeuger 1 über die elektrischen Leitungen 8, 9 vorgesehen. Die elektrische Leitung 8 ist dabei elektrisch mit einer aus leitfähigem Material bestehenden Walze des ersten Führungswalzenpaars 51 verbunden. Die elektrische Leitung 9 ist mit einer Walze des Hauptwalzenpaars 52, die ebenfalls elektrisch leitfahig ist, verbunden. Mit der Walzanlage gemäß Figur 5 können unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Raumtemperatur auch Bleche aus hochfesten Metalllegierungen weitgehend rissfrei umgeformt werden. Die Figuren 6 bis 8 zeigen Fließkurven verschiedener Werkstücke. Dargestellt ist jeweils die Fließspannung k über den Umformgrad φ . Die Figur 6 zeigt eine Fließkurve von 6082-

Aluminum, die Figur 7 die Fließkurve einer entsprechenden AICu-Legierung. In den Beispielen gemäß den Figuren 6 und 7 wurde das Umformverfahren unter Ausnutzung des elektroplastischen Effektes gemäß der Erfindung durchgeführt. Die Figur 8 zeigt Fließkurven der gleichen Werkstoffe, ohne dass der elektroplastische Effekt genutzt wurde.

Im Fall der AICu-Legierung wurde eine Probe EN AW 6016 (nach DIN EN 573-3 :2009-08) mit Kupfer auflegiert, so dass sie einen Kupfergehalt von 0,4 % aufwies. Unter Verwendung einer Stromdichte von 4000 A/mm ² wurde ein Zugversuch durchgeführt. Hierbei wurde eine Frequenz der Stromimpulse nicht über zwei Impulse pro Sekunde gewählt, um eine Gefügebeeinflussung durch Erwärmungseinflüsse auszuschließen. Die Temperatur lag während des gesamten Zugversuchs unterhalb von 70°C. Wie den Figuren 6 und 7 zu entnehmen ist, kann der Fließkurve eine erhöhte Festigkeit bei gleicher Plastizität und bei gleicher Härte entnommen werden. Eine gleiche Legierung mit einem Kupferanteil von 0,4 % ohne die Beaufschlagung mit den kurzen elektrischen Stromimpulsen, wie in Figur 8 dargestellt, wies eine deutlich geringere Festigkeit bei ansonsten gleicher Plastizität und gleicher Härte auf.

In einem weiteren Versuch wurde einem eutektoidischen, perlitischen Stahl der Zusammensetzung (CO,83% Mn04% Cr0, l % NiO, 15% SiO, 3%) 0, 15% Kohlenstoff und 0, 15 % Chrom als Karbidbildner zulegiert. Auch in diesem Fall konnte eine Festigkeitserhöhung bei gleicher Plastizität und gleicher Härte nachgewiesen werden. Die Figur 9 zeigt in einem Kraf Weg-Diagramm den Verlauf der beim Umformverfahren auftretenden Kraft über den Umformweg bei einem Umformverfahren unter Ausnutzung des elektroplastischen Effektes. Hierbei wurde das Werkstück im Rahmen der Vielzahl von kurzen elektrischen Stromimpulsen mit mehreren Folgen von elektrischen Stromimpulsen beaufschlagt, bei denen jeweils der erste Stromimpuls eine größere Amplitude aufweist als die nachfolgenden weiteren Stromimpulse der Folge. Der Verlauf der tatsächlich aufgetretenen Kraft ist durch die durchgezogene Linie dargestellt. Die punktierte Linie zeigt den theoretischen Verlauf der Kraft, wenn keine Beaufschlagung mit den Stromimpulsen erfolgt. Die Figur 10 zeigt sozusagen als Ausschnitt aus dem Diagramm der Figur 9 anhand zweier Einbrüche der Kraft F in Bezug zu den erzeugten Folgen der Stromimpulse. Dargestellt ist in dem oberen Diagramm der Verlauf der Kraft über den Umformweg bzw. über die Zeit, die eine gewisse Korrelation zum Umformweg aufweist. In dem darunter dargestellten Diagramm ist die Stromdichte über den Weg bzw. die Zeit aufgetragen. Erkennbar ist eine erste Folge 100 von elektrischen Stromimpulsen, bei der der erste Stromimpuls eine größere Amplitude aufweist als die in diesem Fall drei weiteren Stromimpulse in der Folge. Ferner ist eine zweite Folge 101 dargestellt, die im dargestellten Beispiel hinsichtlich Amplitude, Dauer und Anzahl der Stromimpulse der Folge 100 entspricht. Im oberen Diagramm der Figur 10 ist in einer durchgezogenen Linie wiederum der wirkliche Verlauf der Kraft, der sich in Folge des elektroplastischen Effektes ergibt, dargestellt. Der theoretische Verlauf ohne den elektroplastischen Effekt ist wiederum in gepunkteten Linien dargestellt. Ferner zeigen gestrichelte Linien den theoretischen Verlauf der Kraft an, wie er sich ergeben würde, wenn nur der erste Stromimpuls einer Folge 100, 101 erzeugt werden würde.

Die erste Folge 100 wird zu einem Zeitpunkt TO ausgelöst, z. B. wenn eine entsprechende Kraft F erreicht ist. Diese entspricht einer bestimmten Materialspannung des Werkstücks im umzuformenden Bereich. Nach dem ersten Stromimpuls der ersten Folge 100 werden vor Erreichen des Zeitpunkts T l , der das Ende der Nachwirkphase charakterisiert, drei weitere Stromimpulse mit geringerer Amplitude ausgelöst.

Wie erkennbar ist, endet die Nachwirkphase jeweils im unteren Scheitelpunkt der gestrichelten Linie im oberen Diagramm, d. h. im Minimum des Kraftverlaufs, wenn nur der erste Stromimpuls einer Folge 100, 101 erzeugt worden wäre.

Nach einer Pausenzeit TD wird die zweite Folge 101 von elektrischen Stromimpulsen zu einem Zeitpunkt T2 ausgelöst. Auslöser für die zweite Folge 101 kann ein Zeitkriterium sein, wie z. B. der Ablauf einer vordefinierten Pausenzeit. Auslöser kann ferner die Temperatur des Werkstücks im umzuformenden Bereich sein, oder wiederum die Materialspannungen im umzuformenden Bereich, z. B. ein bestimmter Kraftwert im oberen Diagramm.