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Title:
METHOD FOR MASSIVE FORMING AXISYMMETRIC METAL COMPONENTS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2000/062956
Kind Code:
A1
Abstract:
Axisymmetric deformations with a high deformation degree can be obtained by performing lateral extrusion on a partially heated metal workpiece (1000). The hardness obtained as a result of simultaneous cold and hot deformation makes it possible to perform final stamping of the components and avoid individual heat treatments. According to the invention, the workpiece (100) is fed to a matrix (20) and pressed by a stamp (10) with a force F. Local heating is effected using a method known per se prior to lateral extrusion, wherein targeted heat effect (30) is adapted to the deformation behavior of the workpiece (100). Advantageously, targeted cooling of the workpiece (110) after the forming process is achieved by the local effect of a coolant.

Inventors:
HUWILER HANSRUEDI (CH)
WEIDIG URSULA (CH)
STEINHOFF KURT (CH)
Application Number:
PCT/CH2000/000212
Publication Date:
October 26, 2000
Filing Date:
April 12, 2000
Export Citation:
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Assignee:
EIDGENOESS MUNITIONSFAB THUN (CH)
HUWILER HANSRUEDI (CH)
WEIDIG URSULA (CH)
STEINHOFF KURT (CH)
International Classes:
B21J5/08; B21J9/08; B21K1/06; C21D7/13; (IPC1-7): B21J9/08; B21J5/08
Foreign References:
EP0157894A11985-10-16
DE19746235A11998-05-07
US3399290A1968-08-27
FR1408570A1965-08-13
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 008, no. 258 (M - 340) 27 November 1984 (1984-11-27)
Attorney, Agent or Firm:
PPS POLYVALENT PATENT SERVICE AG (Waldrütistrasse 21 Geroldswil, CH)
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Claims:
P a t e n t a n s p r u c h e
1. Verfahren zur Massivumformung von axial symmetrischen metallischen Bauteilen durch Fliesspressen an einem partiell erwärmten Werkstück, wobei dieses endseitig in einer Matrize geführt ist und durch einen Press Stempel fliessgepresst wird, dadurch gekennzeichnet, dass einzig der Bereich des durch Querfliessen zu bildenden Bundes auf eine Temperatur, welche über der Rekristallisationstemperatur liegt, erwärmt wird, wo bei diese Temperatur wahrend des Umformvorganges auf recht erhalten bleibt, und dass dabei in einem durch die Matrize und den Stempel gebildeten axialen Zwi schenraum das Formänderungsverhalten des Werkstoffs durch eine gezielte Wärmeeinwirkung an die Umformung angepasst wird, so dass eine simultane Warmund Kaltumformung des Werkstoffs, mit partieller Kalt Verfestigungen, resultiert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest während des Erwärmens des Werkstücks die neben dem Bereich maximaler Umformung vorhandenen Bereiche gekühlt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass das Werkstück nach dem Fliesspressen partiell und kontrolliert abgekuhlt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur gezielten Wärmeeinwirkung eine Induktions spule eingesetzt wird, welche durch einen konstanten Strom (i>), während vorgegebener Zeit, die Warme einwirkung auf das rohe Bauteil steuert.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine variable Frequenz (f.,) die Eindring tiefe der Wärmeeinwirkung gesteuert wird.
Description:
Verfahren zur Massivumformung von axial-symmetrischen metallischen Bauteilen

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der Verfahrenstechnik sind zahlreiche Umformverfahren bekannt, wobei diese entweder am warmen oder am kalten Werkstück erfolgen. Notorisch bekannt ist u. a. das Fliess- pressen gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die bekannten Massivumformungen stossen beim Querfliess- pressen unter Raumtemperatur rasch an Verfahrensgrenzen, d. h. bei hohen Umformgraden kommt es zu Einschnürungen bei- spielsweise am Rand eines Bundes, hervorgerufen durch die dort herrschenden tangentialen Zugspannungen, was zum Ver- sagen des Werkstücks durch Aufreissen führt. Bei geringen Spalthöhen können Werkstofftrennungen im Bereich der Fliess-Scheide auftreten, wobei in dieser Zone die lokale Formänderung derart hoch ist, dass das Formänderungsvermo- gen des Werkstoffs erschöpft wird und kein Kaltverschweis- sen mehr möglich ist.

Unter dem Formänderungsvermögen eines Werkstoffs wird daher die maximale Formänderung verstanden, die dieser ertragt ohne dass ein Bruch entsteht. Charakterisiert wird dieses Formänderungsvermögen über die Bruchformänderung oder tuber die aus Zugversuchen ermittelten Zähigkeitskennwerte wie Bruchdehnung und Einschnürung. Die Bruchformänderung wird in Modellversuchen, Zug-, Druck-oder Torsionsversuchen er- mittelt, wobei die Bruchformänderung grundlegend betrachtet der logarithmischen Bruchdehnung entspricht.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, welches eine Erhöhung der Um- formgrade ermöglicht, ohne dass die Werkstückqualität dar- unter leidet.

Ebenfalls ist es Aufgabe der Erfindung, durch die Umformung die Werkstoffeigenschaften positiv zu beeinflussen, um nachfolgende Wärmebehandlungen in ihrer Zahl zu reduzieren oder gar zu eliminieren. Die Massgenauigkeit und Oberflä- chengüte soll derjenigen des Kaltumformens entsprechen.

Im weiteren soll das Verfahren erlauben, in Verbindung mit Folge-Operationen einzelne Verfahrensschritte, wie Nach- pressen, Härten, Polieren, Spanen oder Schneiden etc., aus- zuschalten, zu vereinfachen oder zu verbilligen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 ge- löst.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass das Forman- derungsvermögen keine reine Werkstoffeigenschaft ist son- dern auch von den Verfahrensbedingungen abhängt.

Erfindungsgemäss erfolgt daher eine lokale Anpassung des Formänderungsvermögens an die gewunschte Verformung mittels einer gezielten Erwarmung des Werkstücks, wobei eine Kombi- nation von Kalt-und Warmumformung erfolgt, welche die Vor- teile der guten Umformung am warmen Werkstück mit den Vor- teilen des Kaltumformens, wie Materialverfestigung, Massge- nauigkeit und hohe Oberflächengüte vereinigt.

Gemass Anspruch 2 kann das Kaltumformen bzw. dessen resul- tierende Verfestigung durch einen gezielt beeinflussten

Temperaturverlauf am Werkstück optimiert werden.

Durch Führung des Abkühlvorgangs nach dem Querfliesspressen lässt sich zudem die Festigkeit des Werkstücks lokal noch- mals verbessern, Anspruch 3.

Die Wärmebehandlung vor, während und nach dem Querfliess- pressen kann mit an sich bekannten Mitteln, wie Induktions- heizung, Flamme oder Laser, erfolgen.

Beispielsweise kann die Vorwarmung des Werkstücks induktiv durchgeführt werden, während die gezielte Einbringung von Prozesswärme auf der Presse, durch einen zeitlich und ziel- gerecht geführten Laserstrahl hoher Energie, erfolgt.

Insbesondere bei rotationssymmetrischen Bauteilen, welche einer späteren Dreh-und/oder Schleifoperation unterzogen werden, ist eine induktive Erwärmung gemass Anspruch 4 gün- stig.

Die Eindringtiefe der Wärmeeinwirkung lasst sich durch eine zeitabhängige Steuerung der Frequenz des Induktionsstromes sehr präzise einstellen, so dass die Ubergangsbereiche zwi- schen Kalt-und Warmumformung scharf abgrenzbar sind, vgl.

Anspruch 5.-Dadurch lässt sich das gewunschte Temperatur- profil vorgeben.

Ebenfalls kann die Wärmeabfuhr durch gekuhlte Greifer etc. gesteuert werden. Bewährt hat sich eine Kühlung durch Was- ser ; sie kann aber auch durch eine anschliessende Luftkuh- lung ergänzt werden, so dass die Presse bereits bei der Entnahme des Presslings trocken ist.

Gleichartige Mittel könnten zur Weiterverarbeitung des Presslings in weiteren Verfahrensstufen eingesetzt werden, was u. a. die Durchlaufzeit und die Energiekosten betracht- lich verbessern würde.

Nachfolgend werden anhand von Zeichnungen Ausführungsbei- spiele der Erfindung diskutiert, welche durch Versuche und rechnerische Nachprüfung (Simulation) erhartet sind.

Es zeigen : Fig. 1 eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemässen Verfahrens, Fig. 2 einen Rohling, vorbereitet für das Querpressen, Fig. 3 den resultierenden Pressling, Fig. 4 die Umsetzung der simultanen Kalt-und Warmumfor- mung auf eine hydraulische Presse, dargestellt in den Verfahrensschritten I-IV und Fig. 5 eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur gesteuer- ten Erwärmung des Rohlings.

Gemass Fig. 1 wird ein Rohling 100 in seinem mittleren Be- reich 40 durch eine Wärmequelle 30 tuber seine Rekristalli- sationstemperatur erwärmt. Dabei oder anschliessend wird er mit seinem Schaft in eine Matrize 20 gestellt und durch ei- nen Stempel 10 an seinem Wellendurchmesser gefasst und mit einer Kraft F verformt, so dass ein axial-symmetrischer Bund (Flansch) entsteht.

In Fig. 2 ist der Rohling 100 einzeln dargestellt und mit Masslinien versehen ; der Wellendurchmesser beträgt dl, der untere Schaftdurchmesser d2 und die Lange L0.

Durch das in Fig. 1 aufgezeigte Verfahren entsteht ein Pressling 100'gemäss Fig. 3, welcher beispielsweise als Getriebewelle dient. Durch das Querfliesspressen hat sich die ursprüngliche Lange LO auf Ll reduziert, in einem Be- reich der Materialumformung S1 sind an der Welle Material- verdickungen feststellbar ; gepresst wurde ein Bund mit ei- nem Durchmesser D und einer Bundbreite S2.

Gewählt wurden folgende Parameter : Werkstoff C15 (1.0441) Umformtemperatur : 20 °C im kalten Bereich resp.

1000 °C im erwärmten Bereich Lange LO = 565 mm Wellendurchmesser dl = 75,5 mm Schaftdurchmesser d2 = 50 mm Erzielt wurden : Ein Bunddurchmesser D = 117 mm Eine Bundbreite von S2 = 9,6 mm Das Werkstück wurde auf eine Lange L1 von 470 mm gestaucht.

Der Bereich der Materialumformung Sl beträgt 250 mm

Der lokale Umformgrad des Kaltfliesspressens be- trägt maximal 1,2 Der lokale Umformgrad des Warmfliesspressens be- trägt maximal 2,0 Die Fliess-Spannung bei der Kaltumformung betrug 806 MPa, im Maximum.

Die Fliess-Spannung bei der Warmumformung betrug 225 MPa, im Maximum.

Die numerische Simulation erfolgte mittels der Software MSC/SuperForge 1.0 (Fa. MacNeal-Schwendler GmbH, München) Bei der Warmumformung wird eine Verfestigung durch die dy- namischen Entfestigungsvorgänge weitgehendst verhindert ; die Verteilung der Fliess-Spannung ist homogen.

Durch die erfindungsgemässe partielle Erwärmung werden die dynamischen Entfestigungsvorgänge gezielt örtlich ausge- nutzt, wodurch das Formänderungsvermögen des Werkstoffs während des gesamten Umformvorganges nahezu unverändert bleibt.

Das Verfestigungsverhalten wird lokal modifiziert, so dass das Formänderungsvermögen der zu erzielenden Formänderung angepasst wird. Also erfolgt ein"Massschneidern"der Werk- stoffeigenschaft an den Umformvorgang. Damit werden dann lokale Umformgrade sehr viel grosser als 1,0 ohne Zwischen- glühungen möglich. Da das Verfahren im wesentlichen ein Kaltquerfliesspressen bleibt, ist eine vergleichbare Ge- nauigkeit der Endform und eine erwünschte Festigkeitsstei- gerung gewahrleistet. Durch Anpassen der gewählten lokalen Temperatur und einer kontrollierten Abkühlung kann eine in

praxi ausreichende Festigkeit des warm-oder halbwarmumge- formten Bundes erzeugt werden.

Zur Abkühlung und/oder zur Aufrechterhaltung der gewünsch- ten Temperaturgefälle bieten sich hydro-und aerodynamische Mittel an.

Die praktische Umsetzung des erfindungsgemässen Verfahrens ist in Fig. 4 dargestellt. Ein handelsüblicher Roboter 60 mit einer Drehachse 61 und zwei Gelenkarmen 62 bzw. 63 und einem gesteuerten hydraulischen Teleskoparm 64 trägt eine Heizung 30 mit einer Induktionsspule, welche über einen Rohling 100 greift und diesen durch einen Verschiebehub V gezielt partiell erwarmt.

Der Rohling 100 ist vorgängig-durch denselben Roboter 60 -in die Matrize 20 einer notorisch bekannten hydraulischen Presse 90 verbracht worden. Darunter befindet sich ein Aus- stosszylinder 92 ; über dem Rohling 100 ist der Press-Stem- pel 10 angeordnet und mit einem Presszylinder 91 in Wirk- verbindung.-Diese Verfahrensstufe ist mit I bezeichnet und betrifft die partielle Erwärmung.

Daneben ist in der Verfahrensstufe II der Beginn des Press- vorgangs dargestellt ; der Hydraulikkolben des Presszylin- ders 91 wird in Pfeilrichtung nach unten verfahren.

Die Verfahrensstufe III zeigt das Fertigpressen bei max.

Druck ; aus dem Rohling 100 ist der Pressling 100'geworden.

In der Verfahrensstufe IV verfahrt die Matrize wieder in ihre Ausgangsposition, wahrend eine Kühlzange 50, die mit

einer Wasser-und einer Luftzufuhr ausgerustet ist, die er- wärmte Partie des Presslings 100'abkuhlt.

Die Kühlzange 50 ist in an sich bekannter Weise aufgebaut und weist eine Gelenkführung 51 auf, welche zum Roboter 60 kompatibel ist. Eingezeichnet sind zudem eine Mediumzufuhr 52, ein Mediumabfluss 53 sowie das zugefuhrte Kühlmedium M und das abgesaugte Medium M'.

In Fig. 5 ist eine bevorzugte Variante einer induktiven Heizung 30 mittels einer Induktionsspule 30'dargestellt, welche über einen dreiphasigen Frequenzwandler 70, charak- terisiert durch die Phasen R, S, T, gespeist ist. Die Netz- frequenz ist mit f, ; bezeichnet, die durch ein Frequenz- steuerungs-Signal S ; kontrollierte variable Frequenz fv ist bei konstantem Strom iK der Induktionsspule 30'zugeführt.

Das Frequenzsteuerungs-Signal Sv wird vorzugsweise durch eine Programmsteuerung generiert, welche samtliche Parame- ter des Rohlings 100 und des zu erzeugenden Presslings 100' bei der Steuerung des Erwärmungsvorgangs berucksichtigt.

Fig. 4 und 5 zeigen deutlich, dass das erfindungsgemasse Verfahren für eine Serienfertigung von Bauteilen sehr ge- eignet ist und deren Gestehungskosten-aufgrund der er- zielten hohen Umformgrade-betrachtlich reduziert bzw.

Nachbearbeitungsvorgänge verkurzt und Materialeinsparungen erbringt.

Durch die vorgangig dargestellte Einflussnahme auf das Ver- festigungsverhalten mit Hilfe eines vorbestimmten Tempera- turprofils wird der lokale Umformgrad an die gewunschte Um- formung angepasst, bzw. lasst sich optimieren. Es lassen

sich somit Werkstücke herstellen, die trotz unterschiedli- cher Formänderungen eine homogene Verfestigung aufweisen.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass aus einem einfa- chen Rohling, ohne vorformen bzw. ohne eine zusätzliche Ma- trize, reproduzierbare rotationssymmetrische Raumformen er- zielbar sind.

Mittels einer axialen Stauchkraft und über das vorgewahlte Temperaturprofil eingestellte lokale Formänderungswider- stände, können diese gewünschten Raumformen geschaffen wer- den.-Die Matrize und der Stempel haben einzig eine Zen- trier-und Kalibrierfunktion.

Werkstofftechnisch betrachtet, wird das erforderliche Pro- fil unterschiedlicher Formänderungswiderstände über unter- schiedliche Fliess-Spannungen erzielt.

Es hat sich gezeigt, dass durch eine entsprechende Tempera- turverteilung über einer Querschnittsfläche von hohlen Roh- lingen Dorne (Innenkörper) überflüssig sind, da die erziel- te Verteilung der Formänderungswiderstände über dem Quer- schnitt die Fliessrichtung des Werkstoffs exakt bestimmt.