DE102006037883B4

DE102006037883B4 - Gesenk zum Hochtemperaturschmieden

Info

Publication number: DE102006037883B4
Application number: DE102006037883A
Authority: DE
Inventors: Werner Prof. Dr.-Ing. Hufenbach; Albert Dr.-Ing. Langkamp; Peter Janschek
Original assignee: Leistritz AG; Leichtbau Zentrum Sachsen GmbH
Current assignee: LEISTRITZ TURBINENTECHNIK GMBH, DE
Priority date: 2006-08-11
Filing date: 2006-08-11
Publication date: 2008-07-31
Anticipated expiration: 2026-08-12
Also published as: JP4916976B2; DE102006037883A1; EP1886743A1; ATE512738T1; US7836744B2; US20080072651A1; EP1886743B1; JP2008044012A; ES2368006T3

Abstract

Gesenk zum Hochtemperaturschmieden metallischer, insbesondere intermetallischer Bauteile, umfassend ein oberes und ein unteres Gesenkteil, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Gesenkteil (4) ein es bei Raumtemperatur mit Spiel umgebender Armierungsring (7) zugeordnet ist, an den sich das jeweilige Gesenkteil (4) infolge seiner thermischen Ausdehnung beim Aufheizen anlegt, und über den eine Druckspannung auf das jeweilige Gesenkteil (4) ausgeübt wird, wobei die Gesenkteile (4) aus Keramik oder Graphit sind und der Armierungsring (7) aus einem Faserverbundwerkstoff mit gewickelten Fasern besteht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gesenk zum Hochtemperaturschmieden metallischer, insbesondere intermetallischer Bauteile, umfassend ein oberes und ein unteres Gesenkteil.
Beim Hochtemperaturgesenkschmieden erfolgt die Umformung des Rohlings bei Temperaturen oberhalb 1000°C, bei der Umformung von Bauteilen aus intermetallischen Verbindungen wie z. B. TiAl auch bei Temperaturen am Werkzeug von ca. 1150°C. Ein Umformverfahren betreffend ein solches Bauteil aus einer intermetallischen Verbindung ist beispielsweise aus WO 02/48420 A2 bekannt. Aus solchen Materialien werden üblicherweise leichtbauende und hoch belastbare Bauteile für die konventionelle und Luftverkehrstechnik, beispielsweise für Flugtriebwerke oder stationäre Gasturbinen, dort deren Schaufeln, hergestellt. Als Gesenkwerkzeug wird ein Gesenk aus einer Molybdän-Legierung verwendet, die bis zu einer Werkzeugtemperatur von 1150°C eine ausreichende Warmfestigkeit besitzt. Diese Warmfestigkeit reicht jedoch nicht aus, um Bauteile mit engen Maßtoleranzen zu fertigen, das heißt, es könnten nur Aufmassschmiedeteile hergestellt werden, die einer nachfolgenden spanenden und/oder elektrochemischen Nachbearbeitung bedürfen. Eine Umformung im Temperaturbereich oberhalb des Eutektikums im α-γ-Phasengebiet, also bei Temperaturen von 1200–1300°C oder mehr, hat sich demgegenüber als vorteilhaft erwiesen. Dort können wesentlich maßgenauere Bauteile hergestellt werden. Nachdem jedoch ein Gesenk aus einer Molybdän-Legierung in diesem Temperaturbereich nicht verwendet werden kann, sind in diesem Fall Gesenke aus Keramiken etwa auf Kohlenstoff- oder Siliziumbasis einzusetzen. Nachteilig dabei ist jedoch, dass diese Gesenkwerkstoffe extrem empfindlich gegen Zugspannungen sind, die beim Gesenkschmieden zwangsläufig entstehen, weshalb die Haltbarkeit solcher Gesenke nur begrenzt ist.
Aus JP 11347677A ist ein Gesenk bekannt, das jedoch nicht zum Hochtemperaturschmieden geeignet ist. Um Duckspannungen infolge der thermischen Ausdehnung auf das Gesenk auszuüben, ist dort der Einsatz zweier das Gesenk umgebender Manschetten bekannt. Die Gesenkteile selbst sind aus Metall.
Aus JP 01113145 A ist ebenfalls ein Gesenk bekannt, das nicht zum Hochtemperaturschmieden geeignet ist. Zur Erzeugung der Druckspannungen kommen Hilfsgesenke zum Einsatz.
Aus US 4,984,445 ist ein Gesenk mit Gesenkteilen aus Keramik bekannt. Diese Gesenkteile sind in einem metallischen Halter, der bevorzugt aus einer Nickel-Basis-Legierung besteht, aufgenommen.
Aus US 3,987,658 ist die Herstellung von Graphitsenkteilen bekannt. Der Einsatz eines Armierungselements ist dort nicht beschrieben.
Schließlich beschreibt DE 34 19 230 A1 eine Gesenkpackung, bei der die einzelnen Gesenkteile in einem Lagerungsring aus Metall, beispielsweise Molybdän aufgenommen sind.
Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein Gesenk anzugeben, das zum Hochtemperaturschmieden bei Temperaturen von oberhalb 1200°C, bis wenigstens 1300°C, verwendet werden kann, und das eine hinreichende Stabilität gegenüber der beim Gesenkschmieden auftretende Spannungen, insbesondere Zugspannungen aufweist.
Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Gesenk der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass jedem Gesenkteil ein es bei Raumtemperatur mit Spiel umgebender Armierungsring zugeordnet ist, an den sich das jeweilige Gesenkteil infolge seiner thermischen Ausdehnung beim Aufheizen anlegt, und über den eine Druckspannung auf das jeweilige Gesenkteil ausgeübt wird, wobei die Gesenkteile aus Keramik oder Graphit sind und der Armierungsring aus einem Faserverbundwerkstoff mit gewickelten Fasern besteht.
Jedes erfindungsgemäße Gesenkteil besitzt einen speziellen es umgebenden Armierungsring, der bei Raumtemperatur, wenn also das Gesenk nicht in der Presse angeordnet und auf Betriebstemperatur geheizt ist, das Gesenkteil mit Spiel um gibt. Das Spiel beträgt beispielsweise einen Millimeter. Dies lässt das Trennen von Gesenkteil und Armierungsring bei Raumtemperatur zu, was gegebenenfalls bei einem Wechsel des Gesenkteils gegen ein anderes Gesenkteil mit einer anderen Gravur erforderlich ist. Wird nun die Gesenkteil-Armierungsring-Kombination erhitzt, so dehnt sich das Gesenkteil beim Aufheizen wesentlich stärker aus als der Armierungsring, der je nachdem, aus welchem Material oder Materialverbund er aufgebaut ist, gegebenenfalls eine auch nur vernachlässigbare Ausdehnung aufweist. Die thermisch bedingte Ausdehnung des Gesenkteils führt nun dazu, dass sich das Gesenkteil fest an dem umgebenden Armierungsring anlegt. Dies führt wiederum dazu, dass der Armierungsring Druckspannungen auf das jeweilige Gesenkteil ausübt, die den beim Schmieden entstehenden Zugspannung entgegenwirken bzw. entgegengerichtet sind. Es kommt hier also zu einem gezielten Spannungsabbau, der eine wesentlich längere Standzeit des Gesenkteils zur Folge hat.
Dabei wird das Spiel bei Raumtemperatur in Weiterbildung der Erfindung bevorzugt unter Berücksichtigung des Ausdehnungsverhaltens des jeweiligen Gesenkteils und gegebenenfalls des Armierungsrings, so dieser ein gewisses Ausdehnungsverhalten zeigt, derart ausgelegt, dass die aufgebaute Druckspannung bei der Schmiedetemperatur einen vorbestimmten Wert einnimmt. Es kann also durch geeignete Dimensionierung unter Berücksichtigung der spezifischen Materialparameter des Gesenkteilmaterials wie auch des Armierungsringsmaterials eine sehr genaue Einstellung der Höhe der aufgebauten Druckspannung erfolgen. Nachdem die beim Schmieden auftretenden Zugspannungen ebenfalls relativ genau bestimmt werden können, kann infolgedessen eine entsprechende Auslegung des Gesenkteils wie auch des Armierungsrings im Hinblick auf das Spiel bei Raumtemperatur erfolgen, so dass eine weitgehende Kompensation der beim Schmieden aufgebauten Zugspannungen möglich ist.
Die Gesenkteile selbst sind aus Keramik oder Graphit, gegebenenfalls partikel- oder faserverstärkt. Diese Materialien halten den gegebenen hohen Schmiedetemperaturen, die zum Schmieden im Temperaturbereich oberhalb des Eutektikums im α-γ-Phasengebiet erforderlich sind, ohne weiteres stand und können infolge der erfindungsgemäßen Verwendung des Armierungsrings zum Hochtemperaturschmieden eingesetzt werden.
Der Armierungsring selbst besteht erfindungsgemäß aus einem Faserverbundwerkstoff, insbesondere Kohlefasern, die bei der Fertigung um einen Kern gewickelt werden. Kohlenstofffasern besitzen in Faserrichtung einen extrem kleinen, gegebenenfalls sogar negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Bei entsprechender Wicklung bzw. Ausrichtung der Faserlage um den Kern kann so ein Armierungsring als gewickelte Armierungsstruktur hergestellt werden, die beim Aufheizen annähernd keine Ausdehnung zeigt. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Armierungsring hybrid aufgebaut ist und einen inneren Tragring aufweist, an dem das aufgeheizte Gesenkteil anliegt. Das heißt, der Armierungsring besteht hier aus dem äußeren Armierungsringabschnitt aus gewickelten Kohlenstofffasern und einem inneren Tragring, an dem das aufgeheizte Gesenkteil anliegt. Dieser innere Tragring, der erfindungsgemäß aus einer bei der Herstellung um einen Kern gewickelten Textilstruktur, insbesondere ein Gewebe oder Geflecht aus Kunststofffasern, besteht, lässt einen relativ hohen Grad an Formgebungsmöglichkeiten und Gestaltungsfreiheiten hinsichtlich der konstruktiven Auslegung des Armierungsrings zu. Denn es ist schwierig, in den äußeren Armierungsringabschnitt aus gewickelten Kohlenstofffasern entsprechende, von der reinen Zylinderform abweichende Geometrien zu integrieren bzw. auszuformen bzw. beispielsweise in Form von Bohrungen oder dergleichen auszubilden, nachdem die Festigkeit bzw. mechanischen Eigenschaften senkrecht zur Faserlängsrichtung bzw. der Wickelstruktur deutlich schlechter sind. Dem wird dadurch Rechnung getragen, dass der innere Tragring vorgesehen ist, der geringe Armierungs- oder Druckspannungserzeugungseigenschaften besitzt, sondern primär der Ermöglichung konstruktiver oder geometrischer Eigenheiten dient. Hierzu wird bei der Fertigung um den Kern des Tragrings eine textile Struktur in Form eines Gewebes oder Geflechts gewickelt, das heißt, hier gibt es keine ausgezeichnete Faserrichtung. Die Verwendung dieser textilen Struktur ermöglicht es nun, beispielsweise Vorsprünge oder Hinterschneidungen oder dergleichen auszuführen oder an entsprechenden Abschnitten Bohrungen oder dergleichen anzubringen, die aus welchen Gründen auch immer erforderlich sind.
Wie beschrieben umgibt der Armierungsring das Gesenkteil, das – worauf nachfolgend noch eingegangen wird – ein- oder mehrteilig sein kann, bei Raumtemperatur mit leichtem Spiel. Um zu vermeiden, dass beim Transportieren der Gesenkteil-Armierungsring-Kombination das Gesenkteil aus dem Armierungsring fällt, ist oder sind am inneren Tragring bevorzugt ein oder mehrere der Halterung des eingelegten Gesenkteils dienende radial nach innen gerichtete Vorsprünge vorgesehen, bevorzugt in Form eines um wenigstens 180° umlaufenden Rands. Auf diesem Vorsprung liegt das Gesenkteil auf und kann, über den Vorsprung und die gegebenenfalls bei vorhandenem Spiel leichte Verkippung zum inneren Tragring hin fixiert, nicht aus dem Armierungsring fallen.
Sofern das Gesenk zum Einsatz bei einer Kalt-Heiß-Prozess-Technologie vorgesehen ist, bei welchem das Gesenk aus der Presse genommen und beladen wird, wonach es wieder in die Presse transportiert und aufgeheizt wird und nach Beendigung des Pressvorgangs wieder der Presse entnommen wird, ist auch der innere Tragring von seiner Grundform her zylindrisch. Er ist an beiden Seiten offen, so dass das Gesenkteil mit seiner der jeweiligen Gravur gegenüberliegenden Seite flächig und direkt am jeweiligen Pressstempel anliegt. Ein erfindungsgemäßes Gesenk ist aber auch zur Verwendung im Rahmen einer reinen Heiß-Prozess-Technologie verwendbar. Hierbei verbleibt das Gesenk in der Presse, das heißt, die beiden einzelnen Gesenkteile sind fest mit dem jeweiligen Pressenstempel verbunden. Um eine Verbindung zu ermöglichen, ist bei einem für einen solchen Einsatz geeigneten Gesenk der Tragring erfindungsgemäß an einer Seite zumindest abschnittsweise geschlossen. Der Tragring weist also an der Seite, an der das Gesenkteil mit seiner gravurfreien Seite anliegt, eine zumindest abschnittsweise geschlossene Fläche auf, in welcher entsprechende Bohrungen oder dergleichen vorgesehen sein können, über die die Fixierung des Tragrings und über diesen des Armierungsrings nebst Gesenkteil am jeweiligen Pressenstempelboden möglich ist.
Damit die Gesenkteile auch in der richtigen Relativposition zueinander in die Pressstellung bewegt werden können, sind zweckmäßigerweise an beiden Gesenkteilen beim Aufeinandersetzen der Gesenkteile zusammenwirkende Zwangsführungen vorgesehen, die bevorzugt einen oder mehrere Bolzen oder Zapfen umfassen, der oder die in die jeweilige Bolzen- oder Zapfenaufnahmen am gegenüberliegenden Gesenkteil eingreifen. Dabei müssen beispielsweise bei Verwendung zweier Bolzen oder Zapfen beide Bolzen oder Zapfen nicht unbedingt am gleichen Gesenkteil vorgesehen sein. Es ist auch denkbar, an jedem Gesenkteil einen Bolzen und diesem jeweils gegenüberliegend am anderen Gesenkteil eine entsprechende Aufnahme vorzusehen. Auch diese Bolzen oder Zapfen sind bevorzugt aus Graphit oder Keramik, gegebenenfalls ebenfalls faser- oder textilverstärkt, vornehmlich unter Verwendung von Kohlenstofffasern, hergestellt.
Wie bereits beschrieben besteht die Möglichkeit, ein Gesenkteil einstückig auszuführen oder aber aus zwei oder mehreren einzelnen Gesenkteilelementen zusammenzusetzen. Dies ist dann erforderlich, wenn am Schmiedeteil Hinterschnitte oder dergleichen ausgeformt werden müssen, um das Gesenkteil öffnen und um das Schmiedeteil auszuformen zu können. Die zwei oder mehr Gesenkteile werden, wenn sie in den Armierungsring eingesetzt werden, so eingebracht, dass jedes Gesenkteilelement an einem oder dem zu seiner Halterung dienenden Vorsprung am jeweiligen Innenring anliegt, wozu gegebenenfalls am Gesenkteil bzw. Gesenkteilelement eine entsprechende Hinterschneidung, in die der Vorsprung eingreift, ausgebildet sein kann. Auch die Gesenkteilelemente weisen bei Raumtemperatur ein gewisses Spiel zueinander auf, so dass die einzelnen Gesenkteil elemente ohne weiteres innerhalb des Armierungsrings angeordnet bzw. eingepasst werden können.
Zweckmäßig ist es ferner, wenn das Gesenkteil, gegebenenfalls die Gesenkteilelemente über wenigstens ein Halteelement mit dem Armierungsring verbunden sind. Dieses Halteelement, dem wie auch den oder den Vorsprüngen eine gewisse Fixierungsfunktion zukommt, dient auch als Führung der Bauteile relativ zueinander während der thermisch bedingten radialen Ausdehnungsbewegung. Ein solches Halteelement ist bevorzugt ein Haltestift, der in entsprechenden Steckaufnahmen am Armierungsring und am Gesenkteil oder einem Gesenkteilelement aufgenommen ist.
Schließlich kann jedes Gesenkteil entweder eine einzelne Gravur oder aber auch mehrere Gravuren aufweisen, je nachdem welcher Art und welcher Größe das herzustellende Schmiedeteil ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 eine Schnittansicht durch ein erfindungsgemäßes Obergesenk einer ersten Ausführungsform,
2 eine Schnittansicht durch das zugehörige Untergesenk,
3 eine Schnittansicht durch ein Obergesenk einer erfindungsgemäßen zweiten Ausführungsform,
4 eine Aufsicht auf das Obergesenk aus 3 mit Blick auf die Gravurseite,
5 das zugehörige Untergesenk, und
6 eine Aufsicht auf ein Gesenk einer dritten Ausführungsform mit mehreren Gravuren.
1 zeigt das Oberteil 1 eines erfindungsgemäßen Gesenks 2, während 2 das Unterteil 3 zeigt. Das Oberteil 2 besteht aus einem Gesenkteil 4, hier bestehend aus zwei Gesenkteilelementen 5, 6. Das Oberteil 2 weist ferner einen Armierungsring 7 auf, bestehend aus dem äußeren Armierungsringteil 8 und einem inneren Tragring 9. Das Gesenkteil 4 bestehend aus den beiden Gesenkteilelementen 5, 6 weist an seiner Pressseite ein Formnest 10 auf, das zur Formgebung eines im Hochtemperaturgesenkschmieden herzustellenden Formteils dient. Die 1 zeigt das Obergesenk 2 bei Raumtemperatur, während 3 das Untergesenk bei Betriebstemperatur von 1200°C oder mehr zeigt.
Wie aus 1 zu entnehmen ist, weist das Gesenkteil 4 ein leichtes Spiel zum Armierungsring 7, hier der zylindrischen Innenwand des Tragrings 9 auf, dargestellt durch den schmalen Spalt der Breite d, wobei d ≤ 1 mm ist. Auch die beiden Gesenkteilelemente 5, 6 besitzen ein geringes Spiel zueinander, wie ebenfalls durch den angedeuteten Abstand d dargestellt ist, wobei das Spiel nicht gleich dem Spiel zum Tragring sein muss. In jedem Fall sitzen die Gesenkteilelemente 5, 6 locker im Armierungsring 7, wenn diese Kombination auf Raumtemperatur ist.
Damit die in den Tragring 7 eingesetzten Gesenkteilelemente 4 während des Handlings des Oberteils nicht nach unten aus dem Armierungsring 7 fallen, weist der innere Tragring 9 einen nach innen gerichteten Vorsprung 11 in Form eines Halteflanschs auf, der entweder um 360° umläuft, zumindest aber um wenigstens 180°. Auf ihm liegen die Gesenkteilelemente 5, 6 randseitig auf, sie weisen entsprechende Hinterschneidungen 12, 13 auf, in die der randseitige Vorsprung 11 eingreift. Weiterhin ist ein Führungsstift 14 vorgesehen, der eine Bohrung 15 durch den Tragring 7 durchgreift und in eine Einsteckbohrung 16 eines Gesenkteilelements, hier das Gesenkteilelement 6, eingreift. Dieser Führungsstift, der zugleich eine gewisse Halte- oder Tragfunktion besitzt, dient primär der radialen Führung des Gesenkteilelements beim Ausdehnvorgang, worauf nachfolgend noch eingegangen wird.
Die Gesenkteilelemente 5, 6 sind bevorzugt aus Keramik oder einem Keramik-Matrix-Verbundwerkstoff beliebiger Art, der derart gewählt ist, dass er bei Schmiedetemperaturen oberhalb von 1200°C eingesetzt werden kann, wobei ein erfindungsgemäßes Gesenk durchaus auch bei Temperaturen von 1500–2000°C verwendet werden kann.
Der Armierungsring 7 selbst ist wie beschrieben hybrid aus dem äußeren Armierungsringteil 8 und dem inneren Tragring 9 aufgebaut. Das äußere Armierungsringteil 9 besteht aus einem Ring aus Kohlenstofffaserverbundwerkstoff. Die Fasern werden mit ihrer Faserlängsrichtung entsprechend ausgerichtet, um Druckspannungen im aufgeheizten Oberteil 2 zu erzeugen, die auf das Gesenkteil 4 ausgeübt werden, um etwaigen beim Schmieden im Gesenkteil 4 aufgebauten Zugspannungen, die primär radial gerichtet sind, entgegenzuwirken. Der Armierungsringteil 8 besitzt einen extrem niedrigen, gegebenenfalls je nach verwendetem Kohlenfasermaterial sogar negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten in Faserlängsrichtung, was dazu führt, dass er beim Aufheizen annähernd keine thermische Ausdehnung zeigt.
Der Innenring 9 hingegen besteht ebenfalls aus einem Ring aus Kohlenstofffaserverbundwerkstoff mit einer Verstärkungsstruktur, vorzugsweise einem Gewebe oder Geflecht aus Kohlenstofffasern, so dass sich eine textile Tragstruktur ergibt, anders als bei den allesamt exakt gleich ausgerichteten Wickelfasern am Armierungsringteil 8. Die Verwendung eines Fasergewebes oder -geflechts ermöglicht es, unterschiedliche geometrische Formen auszuführen, beispielsweise um am Innenring den nach innen springenden Flansch oder Vorsprung 11 auszubilden. Dies ist bei Verwendung einzelner gelegter Fasern, wie sie beim Außenringteil 8 gewickelt werden, ohne Einbußen an mechanischen Eigenschaften nicht möglich. Dem Innenring 9 kommt folglich keine Spannungserzeugungsfunktion und damit Armierungsfunktion zu, die Funktion zum Druckspannungsaufbau übernimmt allein der äußere Armierungsringteil 8. Der innere Tragring hat primär die Funktion, etwaige geometrische Formen und Gestaltungen zur Verfügung zu stellen, die – wie hier – beispielsweise zum Auflagern der Gesenkteilelemente erforderlich sind.
Wird nun unter Verwendung einer Induktionsheizung 17, in welcher sich das Oberteil 2 gemäß 1 befindet, das Oberteil 2 aufgeheizt, so dehnt sich das Gesenkteil 4 bzw. die Gesenkteilelemente 5, 6 thermisch bedingt in Abhängigkeit des gegebenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Graphit- oder Keramikmaterials primär radial aus. Dies führt dazu, dass mit zunehmender Ausdehnung die Spalte zwischen den Gesenkteilelementen 5, 6 wie auch zum Tragring 9 geschlossen werden. Je stärker die Ausdehnung ist, umso stärker liegt das Gesenkteil 4 radial an dem Armierungsring 7 an. Nachdem der Armierungsring 7 bzw. das äußere Armierungsringteil 8 trotz der extrem hohen Temperatur keine oder nur eine verringerbare Ausdehnung zeigt, jedoch das Gesenkteil 4 infolge seiner eigenen Ausdehnung stark gegen den Armierungsring 7 gepresst wird, werden über den Armierungsring 7 hohe Druckspannungen in das Gesenkteil 4 induziert. Diese Druckspannungen wirken nun den beim Schmieden auftretenden Zugspannungen entgegen. Die Auslegung der Spalte bzw. des Spiels d erfolgt unter Berücksichtigung der Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien des Gesenkteils wie auch des Armierungsrings 7, hier insbesondere des Armierungsringteils 8, so, dass bei der Arbeitstemperatur die induzierten Druckspannungen einen vorbestimmten Wert einnehmen. Nachdem es möglich ist, die beim Schmieden im Gesenkteil 4 auftretenden Zugspannungen sowie deren Richtung ermitteln zu können, kann also eine Auslegung des Spiels in Bezug auf die Betriebstemperatur derart erfolgen, dass die erzeugten Druckspannungen die pressbedingten Zugspannungen im Wesentlichen kompensieren.
2 zeigt das Unterteil 3, dessen Gesenkteil 4 ebenfalls aus zwei Gesenkteilelementen 5, 6 besteht, die in einem Armierungsring 7 bestehend aus dem äußeren Armierungsringteil 8 und dem inneren Tragring 9 aufgenommen sind. Hier jedoch ist das Unterteil 3 über die Induktionsheizung 17 bereits auf Betriebstemperatur oder nur unwesentlich darunter aufgeheizt. Ersichtlich sind die bei Raumtemperatur (s. 1) noch gegebenen Spalte d allesamt geschlossen.
Das Gesenk 1 gemäß der 1 und 2 ist primär zur Kalt-Heiß-Prozesstechnologie vorgesehen. Das Gesenk hat also keine feste Verbindung zur Umformmaschine.
Es wird außerhalb der Maschine kalt zusammengebaut, also bei Raumtemperatur zusammengesetzt und mit einem in die Gravur 10 eingelegten Rohling, der kalt oder vorgewärmt sein kann, versehen. Anschließend werden die beiden Gesenkelemente, also das Oberteil 2 und das Unterteil 3 in den Pressenraum, der zur Vermeidung von Oxidation unter Vakuum oder Schutzgas steht, durch eine geeignete Schleuse eingebracht. Das Oberteil 2 und das Unterteil 3 werden im Pressenraum auf die erforderliche Umformtemperatur von beispielsweise 1200–1300°C erwärmt, entweder induktiv (wie in den Figuren dargestellt) oder durch Strahlungsheizung. Nach Erreichen der Schmiedetemperatur wird das Gesenk 1 zwischen die ebenfalls auf dieser Temperatur befindlichen Pressenplatten der Umformpresse gebracht und der Umformvorgang mit der geforderten niedrigen Geschwindigkeit zum Umformen des Rohlings durchgeführt. Anschließend kühlt das Gesenk mit dem umgeformten Bauteil unter Schutzgas nach Entnahme aus der Umformpresse ab und wird über die Schleuse wieder ausgeschleust, wonach das Bauteil entnommen und ein neues Bauteil eingelegt wird.
Um sicherzustellen, dass das Oberteil 2 und das Unterteil 3 relativ zueinander auch richtig bewegt werden, ist im gezeigten Beispiel eine Zwangsführung vorgesehen, im gezeigten Beispiel bestehend aus zwei Bolzen 18, die hier am Unterteil in entsprechenden Bolzenaufnahmen aufgenommen sind. Am Oberteil sind entsprechende Bolzenführungen 19 vorgesehen, in die die Bolzen 18 beim Zusammenführen der Gesenkwerkzeuge eintauchen und geführt werden. Die Bolzen 18 bestehen bevorzugt ebenfalls aus Graphit oder einem geeigneten Keramikwerkstoff, sie können ebenfalls textil- oder faserverstärkt sein.
3–5 zeigen eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gesenks 1, ebenfalls bestehend aus einem in 3 gezeigten Oberteil 2 und einem in 5 gezeigten Unterteil 3. Beide besitzen jeweils ein Gesenkteil 4 bestehend aus zwei Gesenkteilelementen 5, 6, die in einem Armierungsring 7 ebenfalls bestehend aus einem äußeren Armierungsringteil 8 und einem inneren Tragring 9 aufgenommen sind. Auch hier sind alle Elemente bei Raumtemperatur mit Spiel zueinander angeordnet, wie diesbezüglich 1 beschrieben wurde. Der Einfachheit halber sind in den 3 und 5 die beiden Gesenkwerkzeuge jedoch so dar gestellt, als wenn sie bereits erwärmt wären, mithin also sich das jeweilige Gesenkteil 4 vollständig ausgedehnt hat, fest am Armierungsring 7 anliegt und über diesen Druckspannungen in das Gesenkteil 4 induziert werden.
Bei dem dort beschriebenen Ausführungsbeispiel ist jedoch der innere Tragring 9 anders ausgeführt als der Tragring 9 beim Ausführungsbeispiel nach den 1 und 2. Während auch hier an der einen Tragringseite der nach innen radial gerichtete Vorsprung 11 vorgesehen ist, ist die andere Seite des Tragrings 9 vollständig geschlossen, es ist also eine obere (in 3) bzw. untere (in 5) Bodenplatte 20 vorgesehen. Über diese Bodenplatte 20 kann nun das gesamte Oberteil 2 bzw. Unterteil 3 an der entsprechenden Pressenplatte befestigt werden. Hierzu sind, wenngleich nicht näher gezeigt, an der jeweiligen Bodenplatte 20 entsprechende Durchbrechungen zur Aufnahme von Verbindungsschrauben oder dergleichen vorgesehen, die eine Fixierung ermöglichen. Bei dem in den 3, 4, 5 gezeigten Gesenk handelt es sich um ein Gesenk, das für eine Heiß-Prozess-Technologie konzipiert ist, das heißt, das Ober- und Unterteil 2, 3 bleibt stets in der Umformpresse und werden nicht entnommen, entnommen wird lediglich der umgeformte Pressling. Das heißt, das Ober- und Unterteil 2, 3 verbleibt kontinuierlich auf der Arbeitstemperatur. Zum Ausformen ist hier – anders als bei der Gravur 10 aus 2 – die Gravur 10 am Unterteil im einen Abschnitt mit einer Ausformschräge 24 versehen, die unter einem leichten Winkel α zur Vertikalen steht, anders als bei der Gravur 10 aus 2, die in diesem Abschnitt vertikal verläuft. Beim Trennen der auch hier über die Zwangsführung über die Bolzen 18 und die Bolzenführungen 19 zueinander zwangsgeführten Werkzeugteile verbleibt das geschmiedete Bauteil im Oberteil 2. Zum Entnehmen des Pressteils aus dem Oberteil wird dieses soweit abgekühlt, dass sich der Spalt zwischen den Gesenkteilelementen 5, 6 leicht öffnet und das Schmiedeteil infolge seines Eigengewichts aus dem Oberteil herausfällt und mit Hilfe eines einfachen Manipulators aus dem Gesenk genommen werden kann.
4 zeigt eine Aufsicht auf die Unterseite mit der Gravur 10 des Oberteils aus 3. Ersichtlich läuft der Vorsprung 11 des inneren Tragrings 8 des Armierungsrings 7 nur um etwa 240° um. Dies ermöglicht es, die beiden Gesenkteilelemente 5, 6 in den an der anderen Seite geschlossenen, quasi topfartigen Tragring 9 einzusetzen. Gleichwohl sind die beiden Gesenkteilelemente 5, 6, wenngleich sie wie ausgeführt bei Raumtemperatur zueinander wie auch zum Armierungsring ein Spiel aufweisen, sicher und unverlierbar geführt. Gezeigt ist in 4 ferner, dass bei diesem Ausführungsbeispiel insgesamt vier Bolzendurchbrechungen 19 vorgesehen sind, mithin sind also auch am Unterteil vier Bolzen 18 vorgesehen, wenngleich in 5 nur zwei gezeigt sind.
6 zeigt schließlich ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Gesenks 1, wobei hier nur das Oberteil 2 dargestellt ist. Dieses Oberteil 2 besteht – in entsprechender Weise natürlich auch das Unterteil – aus insgesamt acht einzelnen Gesenkteilelementen, wobei die Gesenkteilelemente 21 allesamt gleich ausgeführt sind, lediglich die beiden Gesenkteilelemente 22 und 23 sind in ihrer Form und hinsichtlich der vorhandenen Gravur unterschiedlich ausgeführt. In jedem Fall sind hier insgesamt sieben Gravuren 10 realisiert, anders als bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen, die lediglich über eine Gravur verfügen. Auch hier verlaufen die Trennlinien zwischen den einzelnen Gesenkteilelementen 21, 22, 23 so, dass beim Lösen der Gesenkteilelemente voneinander die jeweilige Gravur geöffnet wird, wie dies auch bei den Gesenkteilelementen 5, 6 der Ausführungsbeispiele nach den 1 und 2 bzw. 3–5 der Fall ist. Das heißt, wenn das Gesenkteil geöffnet wird, öffnet sich automatisch auch die Gravur.

Claims

Gesenk zum Hochtemperaturschmieden metallischer, insbesondere intermetallischer Bauteile, umfassend ein oberes und ein unteres Gesenkteil, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Gesenkteil (4) ein es bei Raumtemperatur mit Spiel umgebender Armierungsring (7) zugeordnet ist, an den sich das jeweilige Gesenkteil (4) infolge seiner thermischen Ausdehnung beim Aufheizen anlegt, und über den eine Druckspannung auf das jeweilige Gesenkteil (4) ausgeübt wird, wobei die Gesenkteile (4) aus Keramik oder Graphit sind und der Armierungsring (7) aus einem Faserverbundwerkstoff mit gewickelten Fasern besteht.
Gesenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiel bei Raumtemperatur unter Berücksichtigung des Ausdehnungsverhaltens des jeweiligen Gesenkteils (4) und gegebenenfalls des Armierungsrings (7) derart ausgelegt ist, dass die aufgebaute Druckspannung bei der Schmiedetemperatur einen vorbestimmten Wert einnimmt.
Gesenk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesenkteile partikel- oder faserverstärkt sind.
Gesenk nach einem der vorangehenden Ansprüche, das der Armierungsring (7) aus gewickelten Kohlenstofffasern besteht.
Gesenk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Armierungsring (7) einen inneren Tragring (9) aufweist, an dem das aufgeheizte Gesenkteil (4) anliegt.
Gesenk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Tragring (9) aus einer gewickelten textilen Struktur, insbesondere ein Gewebe oder Geflecht aus Kohlenstofffasern, besteht.
Gesenk nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass am inneren Tragring (9) ein oder mehrere der Halterung des eingelegten Gesenkteils (4) dienende Vorsprünge (11) aufweist.
Gesenk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein um wenigstens 180° umlaufender randseitiger Vorsprung (11) vorgesehen ist.
Gesenk nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragring (9) an einer Seite (20) zumindest abschnittsweise geschlossen ist.
Gesenk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an beiden Gesenkteilen (4) beim Aufeinandersetzen der Gesenkteile (4) zusammenwirkende Zwangsführungen vorgesehen sind.
Gesenk nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwangsführungen einen oder mehrere Bolzen (18) oder Zapfen umfassen, der oder die in jeweilige Bolzen- oder Zapfenaufnahmen (19) am gegenüberliegenden Gesenkteil eingreifen.
Gesenk nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Bolzen (18) oder Zapfen aus Graphit oder Keramik, gegebenenfalls faser- oder textilverstärkt, sind.
Gesenk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gesenkteil (4) aus zwei oder mehr einzelnen Gesenkteilelementen (5, 6, 21, 22, 23) besteht.
Gesenk nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesenkteilelemente (5, 6, 21, 22, 23) bei Raumtemperatur ein Spiel zueinander aufweisen.
Gesenk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesenkteil (4), gegebenenfalls die Gesenkteilelemente (5, 6, 21, 22, 23) über wenigstens ein Halteelement mit dem Armierungsring (7) verbunden sind.
Gesenk nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Halteelement ein Haltestift (14) ist, der in entsprechenden Steckaufnahmen am Armierungsring (7) und am Gesenkteil (4) oder einem Gesenkteilelement (5, 6, 21, 22, 23) aufgenommen ist.
Gesenk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Gesenkteil (4) mehrere Gravuren (10) aufweist.