DE1527462C - Gesenkformen und Gesenk hierfür - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Gesenkformen, vorzugsweise Kaltformen, von spröden Materialien, wie Legierungen auf Nickel-, Wolfram- oder Chrombasis, von Gußstahl oder von Beryllium, Wolfram, Niob und Molybdän, in Formen, die nicht durch einfaches Fließpressen herstellbar sind, sowie von leichter verformbaren Materialien zu komplizierteren Werkstückformen, unter Aufrechterhaltung eines allseitigen Druckes während der Verformung durch ein leichter fließfähiges Zusatzmaterial. Ferner betrifft die Erfindung ein zur Durchführung dieses Gesenkformungsverfahrens geeignetes Gesenk.

In der Metallbearbeitungstechnik sind die verschiedensten Verfahren zur spanlosen Bearbeitung von relativ duktilen Materialien bekannt, bei denen die Metalle gepreßt, geschmiedet, stranggepreßt, gesenkgeschmiedet und gewalzt werden. Mit den bekannten Verfahren ist bei Verwendung bekannter Einrichtungen der Grad, bis zu welchem ein massives oder hohles Werkstück in einem Bearbeitungsgang gepreßt oder verformt werden kann, mit von den Härtungseigenschaften und der Endfestigkeit des Materials abhängig.

Die bekannten Formungsverfahren können bei den in jüngerer Zeit entwickelten harten und relativ spröden Superlegierungen auf Nickelbasis oder den relativ spröden Legierungen auf Wolfram- und Chrombasis allein nicht angewendet werden, da sie zu Brüchen oder Sprüngen führen und schadhafte Artikel liefern. Man mußte daher noch eine zusätzliche, teure und zeitraubende Nachbearbeitung vornehmen, z. B.

durch Spanabheben oder Schleifen. Die duktileren Metalle konnten außerdem bei Anwendung der bekannten Verfahren nicht in einem einzigen Gang in komplexere Formen gebracht werden, wie z. B. die Form von Turbinenschaufeln und Läufer für Antriebsmaschinen.

Es ist aus der Zeitschrift »Werkstattstechnik und Maschinenbau« 48, Nr. 6 (1958), Seite 346 bis 348, bekannt, daß die Warmumformung von Gußeisen am

ίο besten gelingt, wenn der Werkstoff unter allseitigem Druck steht. Um dies zu erreichen, hat man im bekannten Falle eine Gegendruckvorrichtung verwendet, bei der ein Gegenstempel durch Preßluft mit einstellbarem Druck gegen einen sich beim Pressen eines im wesentlichen zylindrischen Werkstückes bildenden, austretenden Schaft gedrückt wird. Dieses Verfahren ist jedoch nur bei einfachen Werkstückformen anwendbar, da bei komplizierteren Formen keine Gegenstempel möglich sind.

Auch aus der Zeitschrift »Der Maschinenmarkt«, Nr. 69 (28. 8. 1959), Seiten 29 bis 33, ist es bekannt, daß das Warmpressen von Gußeisen und seinen Legierungen am vorteilhaftesten in geschlossenen Gesenken vorzunehmen wäre, damit der Verformungs-Vorgang stets unter allseitigem Druck erfolgt. Um diese Bedingung wenigstens annähernd zu erreichen, wurden im bekannten Falle die Gesenkformen so konstruiert, daß aus ihren Teilfugen ein Grat in Richtung des Preßdruckes austritt. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß der allseitige Druck auf das zu verformende Material nicht sofort, sondern erst nach einer gewissen Verformung und nach Bildung des Preßgrates auftritt.

Weiterhin ist es . aus der USA.-Patentschrift 2 653 494 bekannt, daß eine Warmumformung des sehr spröden, reinen Berylliums durch Schmieden möglich ist, wenn man den zu verformenden Berylliumkörper vollständig in einen Mantel aus einem leichter verformbaren Material, z. B. niedrig gekohltem Stahl, einschließt. Diese Maßnahme ist jedoch verhältnismäßig aufwendig, da ihr Erfolg entscheidend davon abhängt, daß der Mantel den zu verformenden Rohling allseitig dicht anliegend umschließt. Aus der USA.-Patentschrift 2 960 763 ist außerdem ein Querfließpreßverfahren bekannt, bei dem ein scheibenförmiger Rohling mit wulstartig verdicktem Rand zusammen mit Zusatzkörpern, die in die durch den Rand gebildeten Vertiefungen passen, in einem zweiteiligen Gesenk mit ebenen Stirnflächen verformt wird. Durch die Zusatzkörper wird erreicht, daß sich der Druck auch auf den dünnen mittleren Teil der Scheibe überträgt und dieser Teil ebenfalls durch Querfließpressen verformt wird. Auch dieses Verfahren ist auf verhältnismäßig einfache Werkstückformen beschränkt und eignet sich auch nicht für spröde Werkstoffe, da diese am Außenrand reißen würden, der bis zum Erreichen des Gesenkumfanges frei fließen kann.

Schließlich ist aus der USA.-Patentschrift 2 168 641 ein Gesenkformungsverfahren bekannt, bei dem ein rohrförmiger Rohling in ein zweiteiliges Gesenk mit einer den Rohling dicht umschließenden Bohrung eingebracht und durch Stempel, die von beiden Seiten in die Bohrung eingepreßt werden, zu einem kürzeren Werkstück mit dickerer Wandung gestaucht wird. Ein Ausweichen des Materials in das Innere der Bohrung wird durch ein Zusatzmaterial verhindert, das das Innere des Rohlings ausfüllt und

gungen, zweitens der Kraft zum Auspressen des Zusatzmaterials 28 durch die Auslaßanordnung 30 und drittens einer Reibungskraft, die dem Fließen des Werkstückes in der Matrize entgegenwirkt. Es wurde gefunden, daß die Einwirkung eines Rückdruckes auf die verformende Grenzfläche 32 des Werkstücks 20 durch ein Zusatzmaterial 28, mit der der Matrizenhohlraum vorher gefüllt worden ist, ein Reißen des Werkstückmaterials an der Grenzfläche verhindert und eine wesentliche stärkere Deformation des Werkstücks 20 erreicht werden kann als bei Bedingungen, wie sie beim normalen Fließpressen herrschen.

Es wurde zusätzlich gefunden, daß der Rückdruck, der von dem Zusatzmaterial 28 auf das Werkstück 20 ausgeübt wird, vorzugsweise mindestens drei Viertel der Druckfestigkeit des Werkstückmaterials betragen soll. Man kann zwar höhere Verformungsgeschwindigkeiten erreichen, wenn man mit kleineren Rückdrücken arbeitet; bei solchen kleineren Rückdrücken ist jedoch die Gefahr wesentlich größer, daß im Bereich der Grenzfläche 32 Risse auftreten.

Wenn auf das Werkstück 20 (F i g. 2) eine Verformungskraft 36 ausgeübt wird, fließt das Material des Werkstücks 20 plastisch in den Gesenkhohlraum 26, wenn das Zusatzmaterial 28 unter dem durch die Kraft 36 erzeugten Druck durch die Auslaßanordnung 30 abzufließen beginnt. Das Zusatzmaterial übt jedoch gleichzeitig an der Grenzfläche 32 einen Rückdruck auf das Werkstück aus. Wenn das ganze Zusatzmaterial aus dem Gesenkhohlraum 26 verdrängt ist, wie Fig. 3 zeigt, hat das Material des Werkstücks 20 in einem einzigen Verfahrensschritt oder Schlag die gewünschte Form 20 a des herzustellenden Gegenstandes angenommen. Da das Material des Werkstückes ununterbrochen einem genau bemessenen, geeigneten Rückdruck durch das Zusatzmaterial 28 ausgesetzt war, ist der Gegenstand 20 frei von Rissen und hat genau die durch den Matrizenhohlraum 26 bestimmte Form.

Das Gesenk der F i g. 1 bis 3 kann gemäß F i g. 4 und 5 dahingehend abgewandelt werden, daß die Kraft 36 auf das Werkstück von mehreren Richtungen aus einwirkt, um das Fließen des Werkstückmaterials zu steuern. Das Abfließen des Zusatzmaterials 28 wird in der gleichen Weise gesteuert, wie in Verbindung mit F i g. 1 bis 3 beschrieben wurde.

Das bekannte Phänomen einer erhöhten Duktilität von metallischen Werkstoffen unter einem hydrostatischen Druck, wie er während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Matrizenhohlraum 26 herrscht, kann durch die Theorie erklärt werden, daß der hohe Druck die Bildung von Hohlräumen um Diskontinuitäten und Lunker im Material verhindert. Untersuchungen haben gezeigt, daß solche Hohlräume und Lunker als Ausgangspunkte für Brüche wirken. Eine andere mögliche Erklärung besteht darin, daß kleinere Brüche, die bei der Verformung des Materials auftreten, unter der Wirkung des hohen hydrostatischen Druckes durch Druckschweißen geheilt werden.

Bei der Erfindung werden durch den Rückdruck Kräfte zur Einwirkung gebracht, die praktisch verhindern, daß sich solche Hohlräume bilden oder öffnen. Der durch das Grundmaterial ausgeübte Rückdruck hat außerdem eine gleichmäßigere Spannungsverteilung in dem formgepreßten Gegenstand zur Folge. Beim normalen Gesenkschmieden mit offenem Gesenk hat die ungleichmäßige Spannungsverteilung infolge der Reibung am Gesenk eine sehr komplexe Spannungsverteilung in dem hergestellten Gegenstand von der Mitte zum Rande zur Folge. Eine solche Spannungsverteilung kann Risse an den Rändern zur Folge haben. Die niedrige Fließgrenze des bei der Erfindung verwendeten Zusatzmaterials hält die Wirkungen der Reibung in Grenzen und liefert eine homogenere Verteilung, so daß die Verformungsgeschwindigkeit des Werkstückmaterials begrenzt und eine Rißbildung verhindert werden.

In manchen Fällen, insbesondere bei der Bildung kompliziert geformter Gegenstände, wie z. B. Schiffsschrauben, ist es wünschenswert, das Abfließen des Zusatzmaterials aus dem Gesenkhohlraum so zu steuera, daß das Fließen des Werkstückmaterials in seine endgültige Form innerhalb des Gesenkes geeignet gesteuert wird. Wie F i g. 6 zeigt, können in dem Gesenk 40 mehrere Auslaßöffnungen 30 geeignet angeordnet sein, so daß das Fließen des Werkstückmaterials durch das Ablassen des Zusatzmaterials 28 aus dem Gesenkhohlraum 26 steuerbar ist. Das Gesenk 40 kann mit einem Verteiler 38 versehen sein, um den Rückdruck zu steuern, während die Strömungsgeschwindigkeit durch die Auslaßkanäle 30 gesteuert werden kann. Das Abfließen des Zusatzmaterials aus dem Verteiler 38 kann durch einen oder mehrere Auslässe 30 α gesteuert werden, die Ventile 42 enthalten können oder in Verbindung mit dem Verteiler 38, um den schließlich auf die Grenzfläche 32 des Werkstückmaterials ausgeübten Rückdruck zu steuern. Zum genauen Steuern des Fließens des Werkstückmaterials kann das Abfließen des Zusatzmaterials 28 durch eine Anzahl von Ventilen 42 durch eine Programmsteuerung gesteuert werden.

Die F i g. 7 und 8 zeigen eine andere Ausführungsform, bei der geteilte Gesenkhälften 44, 44 α verwendet werden, die durch eine äußere Kraft 46, beispielsweise eine mechanische Presse, zusammengehalten werden. Die äußere Kraft 46 wirkt mit der pro Flächeneinheit größeren Verformungskraft 36 zusammen. Bei der Einwirkung der Verformungskraft 36 trennen sich die Matrizenhälften 44, 44 a etwas, so daß ein Auslaß 48 entsteht, durch den das Zusatzmaterial 28 ausgepreßt werden bzw. ausfließen kann.

Der Auslaß 48 ist in diesem Falle ein ringförmiger Schlitz. Das Verhältnis der Verformungskraft 36 zur äußeren Kraft 46 bestimmt die Größe der Trennung der Matrizenhälften 44, 44 α und damit den Querschnitt des Auslasses 48. Zur Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit und des Rückdruckes des Zusatzmaterials auf die Verformungsgrenzfläche 32 zwischen dem Zusatzmaterial 28 und dem Material 20 des Werkstückes können durch Veränderung dieser beiden Kräfte gesteuert werden.

Durch die vorliegende Erfindung kann beispielsweise ein Läuferrad für eine Axialverdichterstufe hergestellt werden, das eine Mittelöffnung zur Aufnahme einer Welle enthält. Ein solches Rad ist in Fig. 12 dargestellt. Bei dem Verfahren und dem Gesenk, die in den Fig. 9, 10 und 11 dargestellt sind, kann das Werkstückmaterial 50 anfangs die Form eines ringförmigen Schmiedestückes (Fig. 9) haben. Wie Fig. 10 zeigt, wird das Werkstückrnaterial 50 des Ringes gleichzeitig in zwei Richtungen verformt, während gleichzeitig das Zusatzmaterial 28 durch eine Anzahl von Öffnungen 52, 54 ausgepreßt wird. Bei der Herstellung des in Fig. 12 dargestellten Gegenstandes durch das in den Fig. 9, 10 und 11 darge-

beim Stauchvorgang durch eine Bohrung im einen Stempel austritt. Bei diesen bekannten Verfahren geht es jedoch nur darum, die Gegenstandsform leichter zu erreichen und nicht darum, Materialien verformbar zu machen, die sonst nicht verformbar sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Gesenkformen anzugeben, das ein vorgegebenes Material zu Werkstückformen zu verformen gestattet, die durch die bekannten Umformungsverfahren nicht oder nicht wirtschaftlich herstellbar sind.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe unter Aufrechterhaltung eines allseitigen Druckes während der Verformung durch ein leichter fließfähiges Zusatzmaterial" dadurch erreicht, daß das Gesenk zuerst, gegebenenfalls unter hohem Druck, mit dem Zusatzmaterial ausgefüllt wird und daß, wie an sich be-Tcannt, das Zusatzmaterial während der Verformung aus dem Gesenk gesteuert ausfließt.

Weiterbildungen dieses Verfahrens und ein Gesenk zu dessen Durchführung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird der Erfindungsgedanke an Hand der Zeichnungen näher erläutert, es zeigen

Fig. 1 bis 3 vereinfachte Schnittansichten eines Gesenks bei der Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung,

Fig. 4 und 5 vereinfachte Schnittansichten eines weiteren Gesenks während der Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung,

F i g. 6, 7 und 8 vereinfachte, isometrische Schnittansichten von weiteren Gesenken zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung,

Fig. 9, 10 und 11 vereinfachte Schnittansichten eines weiteren Gesenkes, das zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens geeignet ist, und

Fig. 12 eine isometrische Schnittansicht eines Rades, das durch das an Hand der Fig. 9 bis 11 erläuterten Verfahrens hergestellt wurde.

Bei dem Verformungsverfahren gemäß der Erfindung wird der Hohlraum einer Matrize oder eines Umformwerkzeuges zuerst mit einem Material einer bestimmten Druckfestigkeit gefüllt und anschließend wird in den Hohlraum der Matrize ein Werkstück, das aus einem Material mit einer höheren Druckfestigkeit besteht, mit einer solchen Verformkraft gepreßt, daß das erste Material aus dem Matrizenhohlraum verdrängt wird. Zur Füllung des Matrizenhohlraumes mit dem ersten Material kann dieses mit einer für eine Verformung oder des Fließens des Materials ausreichenden Kraft eingepreßt werden. Sowohl die Verdrängungsgeschwindigkeit des ersten Materials als auch der vom ersten Material ausgeübte Rückdruck werden gesteuert.

Eine Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens zur Druckverformung eines Gegenstandes in einem hohlen Gesenk enthält Mittel, um ein erstes Material in den Hohlraum einzuführen und ihn damit zu füllen und Mittel, das Werkstück in den Gesenkhohlraum unter Verdrängung des ersten Materials hieraus einzupressen. Das Gesenk kann Auslaßöffnungen enthalten, die mit Ventilen versehen sein können, die die Geschwindigkeit zu steuern erlauben, mit der das erste Material aus dem Gesenkhohlraum verdrängt wird. An dem Gesenkhohlraum kann außerdem ein Verteiler zur Steuerung des Rückdruckes des ersten Materials angeschlossen sein.

Die Erfindung ermöglicht, bei vielen neuartigen Werkstoffen ohne Warmverformung und Plattierung auszukommen. Werkstoffe, die stark reaktionsfähig sind und daher gegen die Einwirkung von Sauerstoff und die üblichen Schmiedetemperaturen empfindlich sind, können durch das erfindungsgemäße Verfahren kalt verformt werden. Materialien wie Beryllium, Wolfram, Niob und Molybdän können z. B. im unplattierten Zustand kalt verformt werden. Durch die Erfindung ließen sich auch spröde Legierungen, wie

ίο Superlegierungen auf Nickelbasis, Gußstahl und dgl. bearbeiten, die bisher wegen ihrer verhältnismäßig schlechten Duktilität nur im gegossenen Zustand verfügbar waren, und man erreichte dabei eine höhere Festigkeit infolge der durch das erfindungsgemäße Verfahren verbesserten Korngröße und Fließeigenschaften. Das Verfahren gemäß der Erfindung läßt sich ebensogut auch auf konventionelle, duktilere Legierungen anwenden, wenn komplexere Schmiedestücke als bisher in einem einzigen Gang hergestellt werden sollen, so daß Nachbearbeitungsverfahren und Kosten eingespart werden.

Zur Erzeugung der in den Zeichnungen nur durch Pfeile versinnbildlichten Kräfte können bei den Verfahren gemäß der Erfindung bekannte Schmiedemaschinen zur Erzeugung hoher Drücke verwendet werden.

Die F i g. 1 bis 3 zeigen ein Gesenk gemäß der Erfindung während einer Folge von Verfahrensschritten bei der Umformung eines Barrens 20 in eine Formscheibe 20α (Fig. 3).

Ein in F i g. 1 dargestelltes Gesenk 24 mit einem der Form des zu pressenden Gegenstandes entsprechenden Hohlraum 26 wird zuerst mit einem Zusatzmaterial 28 gefüllt. Ein Barren 20, der durch eine Werkstückaufnahmekammer 22 eingeführt wird, berührt das Zusatzmaterial 28 in einer Grenzfläche 32. Das Zusatzmaterial 28 hat eine kleinere Druckfestigkeit als das Material des Barrens 20. Als Druckfestigkeit wird der maximale Druck bezeichnet, dem das Material ausgesetzt werden kann, ohne daß die plastische Verformung einen bestimmten Betrag übersteigt. Das Zusatzmaterial 28 fließt also bei einem kleineren Druck pro Einheit als das Material des Barrens 20.

Das Gesenk 24 ist mit einer Entlastungs- oder Auslaßanordnung 30 versehen, durch die das Zusatzmaterial 28 abfließen kann. Die Auslaßanordnung kann einen genau bemessenen Querschnitt haben oder mit einer Ventilanordnung (z. B. 42 in F i g. 6) zur Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit des Zusatzmaterials 28 versehen sein. Durch diese Anordnung ist ein bestimmter Druck innerhalb des Hohlraums 26, insbesondere an der Grenze 32 zwischen dem Werkstückbarren 20 und dem Zusatzmaterial 28 gewährleistet. Größe und Form des Hohlraums 26 können während des Pressens konstant gehalten werden, indem man von außen eine Kraft einwirken läßt, wie sie durch Pfeile 34 versinnbildlicht ist oder indem man das Gesenk konstruktion- und materialmäßig im Hinblick auf die während des Pressens im Inneren wirksam werdenden Kräfte geeignet bemißt.

Bei dem in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Verfahren wird auf den Werkstückbarren 20 eine durch einen Pfeil 36 dargestellte Verformungskraft ausgeübt, um ihn in das Gesenk zu pressen. Die erforderliche Mindestgröße der Kraft 36 ist die Summe von erstens einer Kraft gleich der Druckfestigkeit des Materials des Barrens 20 unter normalen Fließbedin-

stellte Verfahren können auch die an Hand von Fig. 4 und 5 erläuterten Maßnahmen Anwendung finden, durch die die Kraft aus mehreren Richtungen zur Einwirkung gebracht wird.

Das vorher in den Matrizenhohlraum eingebrachte Zusatzmaterial soll duktiler sein oder eine niedrigere Fließgrenze oder Druckfestigkeit aufweisen als die Materialien des Werkstückes. Duktile Materialien auf der Basis von Blei, Kupfer, Zink oder anderen leicht auspreßbaren Materialien werden vorgezogen. Es lassen sich jedoch auch weniger duktile Werkstoffe verwenden, vorausgesetzt, daß das Material des Gesenkes den erforderlichen Gesamtdrücken standzuhalten vermag, die bei der Verwendung eines weni-

ger leicht fließenden Zusatzmaterials erforderlich werden.

Das das Gesenk vor dem eigentlichen Preßvorgang füllende Grundmaterial kann auf verschiedene Weise eingebracht werden. Gute Ergebnisse erhält man, wenn man ein Zusatzmaterial wie Blei unter erheblichem Druck mittels eines Stempels durch die für die Aufnahme des Werkstückrohlings bestimmte öffnung in den Matrizenhohlraum einpreßt, bis dieser gefüllt ist. Anschließend wird dann das Werkstückmaterial in Berührung mit dem Zusatzmaterial in die zur Aufnahme des Werkstückmaterials bestimmte öffnung eingebracht und das Werkstückmaterial wird dann in der oben beschriebenen Weise in das Gesenk gepreßt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Gesenkformen, vorzugsweise Kaltformen, von spröden Materialien, wie Legierungen auf Nickel-, Wolfram- oder Chrombasis, von Gußstahl oder von Beryllium, Wolfram, Niob und Molybdän, in Formen, die nicht durch einfaches Fließpressen herstellbar sind, sowie von leichter verformbaren Materialien zu komplizierteren Werkstückformen, unter Aufrechterhaltung eines allseitigen Druckes während der Verformung durch ein leichter fließfähiges Zusatzmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß das Gesenk zuerst, gegebenenfalls unter hohem Druck, mit dem Zusatzmaterial ausgefüllt wird und daß, wie an sich bekannt, das Zusatzmaterial während der Verformung aus dem Gesenk gesteuert ausfließt.

2. Gesenkformen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzmaterial nach Druckanstieg auf über % der Druckfestigkeit des Werkstückmaterials ausfließt.

3. Gesenk zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das in Verformungsrichtung eine Auslaßöffnung oder mehrere Auslaßöffnungen besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung oder die Auslaßöffnungen ein Ventil (42) zum Steuern der Ausströmgeschwindigkeit des Zusatzmaterials (28) enthalten.