| Patentansprüche 1. Verfahren zur Herstellung von feinkörnigen, polykristallinen Werkstoffen oder Werkstücken aus länglichen oder rohrförmigen Halbzeugen bei dem die Werkstücke durch einen rohrförmigen Hohlraum in axialer Richtung 2 bewegt werden, der Hohlraum in Längsrichtung mindestens eine Richtungsänderung aufweist und Schnitte 16, 16' durch den Hohlraum eine annähernd gleiche Größe und Form aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum von mindestens zwei Werkzeugsegmenten, die sich in Längsrichtung über die Stellen der Richtungsänderung hinweg erstrecken, gebildet wird, deren mindestens eine Trennfläche 15, 15' mit einer Flächennormalen senkrecht zur Längsrichtung sich in Längsrichtung des Hohlraums erstreckt, und dass, während das Werkstück sich mindestens teilweise in dem Hohlraum befindet, der Hohlraum über dem gesamten Umfang in radialer Richtung geweitet und wieder geschlossen wird indem mindestens ein Werkzeugsegment 7, 8 von dem Werkstück in radialer Richtung weg und auf das Werkstück zu bewegt wird 9, 10 wodurch beim Annähern der Werkzeugsegmente an das Werkstück in dem Werkstück an der mindestens einen Stelle der Richtungsänderung 4, 4', 4", 4"' eine Scherdeformation eingebracht wird. 2. Verfahren zur Herstellung von feinkörnigen, polykristallinen Werkstoffen oder Werkstücken nach Anspruch 1 wobei gleichzeitig eine Kraft in axialer Richtung 11 , 12 auf das Werkstück wirkt. 3. Verfahren zur Herstellung von feinkörnigen, polykristallinen Werkstoffen oder Werkstücken nach Anspruch 1 oder 2 wobei die Halbzeuge als Hohlprofile ausgebildet sind. 4. Verfahren zur Herstellung von feinkörnigen, polykristallinen Werkstoffen oder Werkstücken nach Anspruch 1 , 2 oder 3 wobei die Längsachse des von den Werkzeugsegmenten im Zustand der maximalen Annäherung gebildeten Hohlraumes mehrere Richtungsänderungen 4, 4', 4", 4"' enthält. 5. Verfahren zur Herstellung von feinkörnigen, polykristallinen Werkstoffen oder Werkstücken nach Anspruch 1 , 2,3 oder 4 wobei die Richtung des Halbzeugs beim Eintreten in das Werkzeugsystem parallel zur Richtung des umgeformten Werkstücks beim Austritt aus dem Werkzeug verläuft. EINBEZOGEN DURCH VERWEIS (REGEL 20.6) 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 -5 wobei zusätzlich eine Drehung der Werkzeugsegmente relativ zu dem Werkstück in Umfangsrichtung des Werkstücks erfolgt. 7. Vorrichtung zur Herstellung von feinkörnigen, polykristallinen Werkstoffen oder Werkstücken, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens zwei Werkzeugsegmente enthält, die durch mindestens einen Antrieb aufeinander zu und voneinander weg bewegt werden können, dabei während des aufeinander zu Bewegens ein in Umfangsrichtung mindestens annähernd geschlossener Hohlraum entsteht, der eine Längsachse aufweist, die in Längsrichtung mindestens eine Umlenkstelle 4, 4', 4", 4"' aufweist über die hinaus sich die mindestens zwei Werkzeugsegmente in Längsrichtung erstrecken, und dessen Querschnitte 16, 16' entlang der Längsachse im Wesentlichen die gleiche Form und Größe aufweisen und dabei während des voneinander weg Bewegens der Hohlraum über dem gesamten Umfang geweitet wird und deren mindestens eine Trennfläche 15, 15' mit einer Flächennormalen senkrecht zur Längsrichtung sich in Längsrichtung des Hohlraums erstreckt, sowie eine Vorschubeinrichtung, die eine Relativbewegung zwischen Werkstück und Werkzeugsegmenten entlang der Längsachse des von den Werkzeugsegmenten gebildeten Hohlraums erzeugt. 8. Vorrichtung zur Herstellung von feinkörnigen, polykristallinen Werkstoffen oder Werkstücken nach Anspruch 7, wobei neben der Vorschubbewegung auch eine überlagerte Druckspannung in dem Werkstück dadurch erzeugt werden kann, dass an beiden Enden des Werkstücks eine Kraft in Längsrichtung des Werkstücks aufgebracht werden kann. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8 wobei zusätzlich eine Drehvorrichtung das Werkstück um die Längsachse des Werkstückes dreht. 10. Vorrichtung nach Anspruch 7, 8 oder 9 wobei zusätzlich die Werkzeuge um die Längsachse des Werkstücks rotiert werden. EINBEZOGEN DURCH VERWEIS (REGEL 20.6) |
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Proben oder Halbzeugen aus feinkörnigen metallischen Gefügen. Derartige feinkörnige Gefüge erlauben eine ausgezeichnete Kombination von großer Duktilität und hoher Festigkeit. Eine bevorzugte Route zur Herstellung derartiger Gefüge sind große plastische
Deformationen. Die Erfindung betrifft auch ein Werkzeugsystem für ein solches Verfahren.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Herstellung von feinkörnigen metallischen Gefügen durch große plastische Deformationen bekannt. Diese lassen sich in Verfahren, bei denen die End- und Ausgangsgeometrie der Werkstücke oder Proben gleich sind, und in Verfahren, bei denen die plastische Deformation zu einer Formänderung geführt haben, einteilen. Erstere haben den Vorteil, dass die Prozesse im Prinzip beliebig oft wiederholt werden können und somit die eingebrachten plastischen Deformationen in weiten Bereichen variiert werden können. Zu der zweiten genannten Gruppe gehören Verfahren wie das aus der KR102006013211AA bekannte accumulative roll-bonding Verfahren. Die
Erfindung betrifft ein Verfahren der ersten Gruppe.
Bekannteste Vertreter aus der Gruppe der Verfahren mit gleichen End- und
Ausgangsgeometrien sind die Equal Channel Angular Pressing (ECAP) Verfahren. Diese beruhen darauf, dass eine Probe oder ein Werkstück durch eine feststehende Matrize, die einen Kanal konstanter Querschnittsfläche aufweist, gedrückt wird. Der Kanal ist in Längsrichtung abgewinkelt. Dadurch kommt es beim Durchdrücken zu einer Scherung des Werkstoffs und infolge dessen zu großen plastischen
Deformationen.
Aus der US 6,399,215 B1 ist bekannt, dass durch ECAP Prozesse feinkörniges Titan hergestellt werden kann indem ein grobkörniges Werkstück mehrfach durch einen Kanal gedrückt wird und zwischen einzelnen Prozessschritten um die Längsachse rotiert wird.
EINBEZOGEN DURCH VERWEIS (REGEL 20.6) Weiterentwicklungen der ECAP Verfahren sind aus der JP 2003245712 A und der DE 10 2005 049 369 A1 bekannt. Es wird vorgeschlagen ein Werkstück durch eine mehrfach abgewinkelte Strangpressmatrize zu drücken. Dadurch kann ein diskontinuierlicher Betrieb der Komfeinungsbehandlung unter Umständen vermieden werden.
Ein diskontinuierlicher Betrieb kann auch durch die Lehren der US 6,571 ,593 B1 und US 2004/0123638 A1 umgangen werden. Hier wird vorgeschlagen, das Werkstück durch rotierende Rollen oder Walzen durch feststehende Matrizen zu bewegen.
In DE 10 2008 033 027 A1 sind Wärmebehandlungen für metallische Werkstoffe beschrieben, welche vor und nach einem ECAP oder anderen Prozess zur
Herstellung von feinkörnigem Gefüge eingesetzt werden können. Diese verstärken die gewünschten Effekte der erhöhten Festigkeit und Umformbarkeit der Werkstoffe.
Nachteile der ECAP Verfahren ergeben sich vor allem durch die hohen auftretenden Reibkräfte. Diese führen zu einem Verschleiß der Werkzeuge und zu unansehnlichen oder unbrauchbaren Oberflächen der Proben oder Werkstücke. Aus der US 2005 016243 A1 ist eine Lösung bekannt, die den Gebrauch von Schmiermitteln vorsieht und von einem in Längsrichtung verschiebbaren Schlitten Gebrauch macht. Auch bei dieser Verbesserung verbleiben allerdings noch erhebliche Flächen in denen
Reibung zwischen Werkstück und Werkzeug bei gleichzeitig hohen wirkenden Normalspannungen auftritt.
In US 2009/0126444 A1 wird ein kontinuierliches inkrementelles Umformverfahren zur Kornfeinung von Werkstoffen vorgestellt bei dem der Reibungseinfluss durch ein bewegliches Werkzeugsegment, das die Werkzeuggravur in Längsrichtung des Kanals unterbricht, reduziert wird. Dies kann allerdings dazu führen, dass an den Stellen der Scherung eine Wulstbildung einsetzt. Diese verhindert ein vollständiges Schließen des Werkzeugs. Als nachteilig muss bei dieser Lösung auch angesehen werden, dass ein Reversierbetrieb zur Steigerung der plastischen Dehnung durch eine Umkehr der Vorschubrichtung nicht möglich ist. Nachteilig ist ferner, dass nur in einem kleinen Bereich der Gravur die Reibungseinflüsse vermindert werden.
Insbesondere an den senkrecht zur Bewegungsrichtung des Werkzeugsegments und der Längsrichtung liegenden Begrenzungsflächen wirken unvermindert beträchtliche Reibkräfte.
EINBEZOGEN DURCH VERWEIS (REGEL 20.6) Eine Vorrichtung zur Herstellung eines Formteils mit nanostrukturiertem Gefüge aus einer dünnen Platte beschreibt DE 10 2008 002 736 A1. Eine Platte wird zwischen drehbare Stempel verspannt, um durch Scherung im Material feinkörniges Gefüge zu erzeugen. Anschließend können die Stempel genutzt werden, um eine Formgebung der Platte durch Druck- und/oder Zugumformung durchzuführen. Das Verfahren ist auf flächige Halbzeuge beschränkt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereit zu stellen, mit dem beliebig große plastische Deformationen an einem metallischen Halbzeug ausgeübt werden können, ohne dass die Ausgangs- und Endgeometrie eine große Veränderung erfährt und gleichzeitig Oberflächen und oberflächennahe Bereiche der Proben nicht starken Reibbelastungen ausgesetzt werden. Dies wird durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angeführten
Merkmalen und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein Halbzeug mit einem in Längsachse gleich bleibendem Querschnitt eingesetzt. Die Form des Querschnitts kann kreisförmig, quadratisch oder in Form eines anderen Vieleckes ausgebildet sein. Neben Vollprofilen können auch Hohlprofile als Halbzeug verwendet werden. Dann kann es vorteilhaft sein, den Hohlraum mit gasförmigen, flüssigen oder festen Stoffen zu füllen. In einer bevorzugten Ausführungsform werden Hohlprofile mit formlosen festen Stoffen, beispielsweise Pulver aus Metall, Glas oder Kunststoff, gefüllt.
Während des erfindungsgemäßen Prozesses wirken gleichzeitig mehrere
Werkzeugsegmente auf das Halbzeug ein. Die Werkzeugsegmente bilden, wenn sie aufeinander zu bewegt wurden, einen mindestens bereichsweise geschlossenen länglichen Hohlraum, der in Längsrichtung an mindestens einer Stelle abgewinkelt ist. Die Werkzeuggravur erstreckt sich in Längsrichtung über die Stellen der
Scherumformung hinweg, wodurch keine Gefahr der Wulstbildung im Bereich der größten Scherumformung besteht. Die Größe der Querschnittsfläche des länglichen Hohlraums ändert sich in Längsrichtung nicht oder allenfalls geringfügig. Die
Werkzeugsegmente werden auf das Werkstück zu und weg bewegt. Während der Bewegung auf das Werkstück erfährt dieses eine Krafteinwirkung.
Durch die Krafteinwirkung erfolgt an mindestens einer Stelle des Halbzeugs eine Scherung. Vorteilhaft kann es aber auch sein, mehrere dieser Stellen mit
EINBEZOGEN DURCH VERWEIS (REGEL 20.6) Scherwirkung in Längsrichtung der Werkzeugsegmente nacheinander anzuordnen. Dann können in einem Durchlauf durch die Werkzeuge große plastische
Deformationen erzielt werden. In einer bevorzugten Anordnung werden die Stellen mit Scherwirkung so ausgebildet und angeordnet, dass die Richtungen von ein- und austretendem Halbzeug parallel zueinander verlaufen.
Der Vorschub des Halbzeuges kann während der Öffnung der Segmente erfolgen. Dann steht das Halbzeug nicht mit den Werkzeugen in Kontakt und die
Vorschubkräfte sind äußerst gering. Dadurch sind Einflüsse der Reibung auf den Prozess und die Oberflächengestalt sehr gering.
Das Werkstück kann aber auch während der Bearbeitung in Längsrichtung kontinuierlich gedrückt oder gezogen werden. Dadurch kommt es während jedes Öffnungs- und Schließvorgangs der Werkzeugsegmente zu einer Bewegung in Längsrichtung.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Vorschubkraft in Längsrichtung eine weitere axiale Kraft überlagert werden. Dann wird an beiden Enden des Werkstücks eine Kraft in Druck- oder Zugrichtung aufgebracht. Die erzeugte Spannungsüberlagerung kann sich auf die Formtreue und die Werkstoffeigenschaften günstig auswirken.
Falls das Werkstück nicht auf beiden Endseiten der Werkzeugsegmente frei heraussteht, kann mit Hilfe von Verlängerungen die Kraft von dem Antrieb auf das Werkstück übertragen werden.
Um größere Umformgrade zu erreichen, kann das Werkstück mehrmals durch die Segmente geschoben oder gezogen werden. Dies kann entweder durch eine Entnahme und ein Wiederzuführen auf der ursprünglichen Seite geschehen. Es kann aber auch vorteilhaft sein, die Bearbeitung durch Umkehr der Bewegungsrichtung in Längsrichtung zu reversieren. Die Orientierung des Werkstücks beim
Wiederzuführen kann gegenüber der ursprünglichen Orientierung gedreht werden.
Während der Bewegung der Segmente kann auf eine gleichzeitige Rotation der Segmente und des Werkstücks verzichtet werden. Ebenso können aber auch entweder die Segmente oder das Werkstück oder beide um eine Achse rotieren. Wenn beispielsweise das Werkstück oder die Segmente um die Mittelachse des Werkstücks am Eintritt des Werkstücks in die Segmente rotieren, dann erfolgt an der ersten Stelle der Richtungsänderung der Längsachse eine Scherung, dessen
EINBEZOGEN DURCH VERWEIS (REGEL 20.6) Richtung mit der Rotation umläuft. Dies kann für eine Steigerung der plastischen Scherungen und eine Vergleichmäßigung der Eigenschaften über alle Richtungen innerhalb eines Querschnitts genutzt werden.
Die Vorgänge können in ihrer Geschwindigkeit während der Dauer des Prozesses konstant bleiben oder gezielt variiert werden. Letzteres ist vorteilhaft, wenn über der Länge eines Bauteils unterschiedliche Eigenschaften gewünscht sind.
Die Temperatur während des Prozesses kann bei Raumtemperatur liegen oder auch durch Erwärmung oder Kühlung ober- oder unterhalb liegen. Auch partiell
unterschiedliche Eigenschaften sind durch ein gezielt eingebrachtes Temperaturprofil einstellbar. Dieses Temperaturprofil kann durch lokales Erwärmen oder Kühlen oder durch Umformwärme, die infolge unterschiedlicher Geschwindigkeiten der
Werkzeugsegmentbewegungen oder der Werkstück- oder Segmentrotation unterschiedlich schnell abfließen kann, erreicht werden.
Die Erfindung umfasst ferner eine Vorrichtung zur Herstellung feinkörniger, polykristalliner Werkstoffe oder Werkstücke. Die Vorrichtung besteht aus mindestens zwei Werkzeugsegmenten, die durch mindestens einen Antrieb aufeinander zu und weg bewegt werden können. Die Werkzeugsegmente bilden gemeinsam eine mindestens bereichsweise in Umfangsrichtung geschlossene Kavität. Die
Längsrichtung der Kavität weist mindestens eine Stelle mit einer Knickstelle auf. Diese Knickstelle kann dadurch erreicht werden, dass an mindestens einem
Segment hin zum Mittelpunkt der Kavität eine Materialanhäufung und an einem anderen Segment eine Verminderung des Materialvolumens erfolgt.
Die Vorrichtung kann ferner eine Drehvorrichtung für das Werkstück oder die
Werkzeugsegmente enthalten. Derartige Antriebe sind aus der Technologie des Rundhämmerns oder Rundknetens bekannt und können hier eingesetzt werden.
Weitere Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen. In den Zeichnungen ist die Erfindung in Ausführungsbeispielen dargestellt. Insbesondere ist in allen Ausführungsformen eine runde Querschnittsgeometrie ohne Hohlraum gezeigt. Wie bereits oben dargestellt, umfasst die Lehre der Erfindung aber insbesondere auch andere Querschnittsformen. Es zeigen:
Fig. 1 ein Werkstück während der erfindungsgemäßen Bearbeitung,
EINBEZOGEN DURCH VERWEIS (REGEL 20.6) Fig. 2 die während der Bearbeitung auftretenden Scherungen,
Fig. 3 Werkzeugsegmente für die Bearbeitung im auseinander bewegten Zustand sowie Ausschnitte von Werkstückoberflächen.
In Fig. 1 ist ein Werkstück 1 während des erfindungsgemäßen
Bearbeitungsprozesses zu sehen. Es weist in Längsrichtung 2 mehrere
Richtungsänderungen 4, 4 ,4 " , 4 "' entlang der Längsachse auf. An diesen Stellen der Richtungsänderung werden Scherspannungen in das Werkstück eingebracht. Das gezeigte Werkstück hat in Umfangsrichtung 3 eine kreisrunde Kontur. Betrachtet man die Größe und Form der Querschnitte in Längsrichtung 2 entlang der
Längsachse des Werkstücks so erkennt man die konstante Form und Größe der Flächen senkrecht zu der Längsachse.
In Fig. 2 ist ein Werkstoffteilchen in verschiedenen Phasen des Prozesses
schematisch dargestellt. Wenn das Werkstück 1 in das nicht dargestellte
Werkzeugsystem eingeführt wird, hat es zunächst in Längsrichtung die quadratische Querschnittsfläche 6. Beim weiteren Vorschieben des Werkstückes 1 in das
Werkzeugsystem wird es bei Erreichen der Umlenkstelle 4 durch eine Scherung, symbolisch dargestellt durch Pfeil 5, in die Form 6 gebracht. Hier ist die Scherung deutlich erkennbar. Im weiteren Verlauf erfährt das Werkstoffteilchen die Stufen 6 " ,6 " 'bevor es in der Form 6 "" aus dem Werkzeugsystem austritt. Der Transport erfolgt durch eine Kraft in Richtung 2. Es können mehrere Werkstücke hintereinander angeordnet werden oder auch Verlängerungen zum vollständigen Durchschieben der Werkstücke genutzt werden.
Fig. 3 zeigt 2 beispielhafte Werkzeugsegmente 7,8, die in einer Vorrichtung in Richtung 9,10 auf das zu bearbeitende Werkstück mit den Oberflächenbereichen 14,14 ' bewegt werden. In dem dargestellten Fall sind 2 von 4 vorgesehenen
Werkzeugsegmenten gezeigt. In anderen Ausführungsformen sind auch 2, 3 oder mehr als 4 Werkzeugsegmente vorteilhaft. Der Antrieb der Werkzeuge kann beispielsweise in bekannten Rundknetmaschinen erfolgen. In die
Werkzeugsegmente sind die Konturen 13,13 ' eingearbeitet. Sind die
Werkzeugsegmente zusammen gefahren, sodass sie sich an den Anschlagflächen 15,15 ' berühren, wird von ihnen ein Hohlraum gebildet, der in Längsrichtung 2 Umlenkstellen aufweist. An diesen werden die Werkstücke umgelenkt, was mit einer Scherung einher geht. Neben den Werkzeugbewegungen in den Richtungen 9,10
EINBEZOGEN DURCH VERWEIS (REGEL 20.6) können auch Kräfte in den Richtungen 11 und 12 auf die Enden der Werkstücke wirken. Dafür kommen bekannte Antriebe, beispielsweise hydraulischer oder elektrischer Art, in Betracht.
EINBEZOGEN DURCH VERWEIS (REGEL 20.6)