DE1583402A1 - Process and device for the compressive deformation of workpieces made of cast steel - Google Patents

Description

Essen, den 11. August 1969 . H 53/82Essen, August 11, 1969. H 53/82

Patentanmeldung; . Patent application; .

"Verfahren und Vorrichtung zur verdichtenden Verformung von Werkstücken aus Stahlguß"
Anmelder: Rheinstahl Hüttenwerke AG, Essen"Process and device for the compressive deformation of workpieces made of cast steel"
Applicant: Rheinstahl Hüttenwerke AG, Essen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur verdichtenden Verformung, vornehmlich der.Oberflächen rotationssymmetrischer Abschnitte großen Durchmessers von Werkstücken aus Stahlguß, wie der Zapfen von Kurbelhüben, die oberhalb der Umwandlungstemperatur des Stahles vom Alpha-Gittertyp in den Gamma-Gittertyp durchzuführen ist.The invention relates to a method and a device for compressive deformation, primarily of the surfaces more rotationally symmetrical Large-diameter sections of cast steel workpieces, such as the journals of crank strokes, the above the transformation temperature of the alpha lattice type steel to be carried out in the gamma grid type.

In Pormstoff vergossener Stahlguß erstarrt im Gebiete der Randerstarrungszone vorwiegend dendritisch und zwar exogen rauhwandig. Eine völlige Dichtspeisung dieses transkristallinen Erstarrungsgefüges gelingt in der Praxis nicht (Gießerei 19β3> 50. Jahrgang, Heft l8, Seiten 533 ff). Die dadurch unvermeidlionen Lockerstellen in den Randzonen von StahlgußgefUgen sind nachteilig wegen ihrer festigkeitsmindernden Kerbwirkung und beeinträchtigen bei sehr glatten, reibungsmäßig beanspruchten Werkstücken wie z.B. der Kurbelzapfen großer Kurbelwellen deren Laufeigenschaften.Cast steel cast in Pormstoff solidifies mainly dendritically and exogenously in the area of the edge solidification zone rough-walled. A complete dense feeding of this transcrystalline solidification structure does not succeed in practice (foundry 19β3> 50th year, issue 18, pages 533 ff). The inevitable thereby Loose spots in the edge zones of cast steel structures are disadvantageous because of their strength-reducing notch effect and affect very smooth workpieces subject to friction, such as large crank pins Crankshafts their running properties.

Es ist bekannt, das 'Gußgefüge von Stahlgußteilen durch eine Warmverformung zu verbessern. So werden gegossene Ruderschäfte für den Schiffsbau ausgeschmiedet. Es ist auch be-, kannt, bei Stahlguß-Kurbelhüben die vorgegossenen Kurbelzapfen im Gesenk unter einer schweren hydraulischen Presse bei Temperaturen um 1100° anzuschmieden.It is known that the 'cast structure of cast steel parts by a To improve hot deformation. For example, cast rudder stocks are forged for shipbuilding. It is also loaded knows, with cast steel crank strokes the pre-cast crank pins in the die under a heavy hydraulic press to be forged at temperatures around 1100 °.

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Bei den bekannten Verformungsverfahren von Stahlformgußteilen wird folgendes als nachteilig angesehen.In the known deformation processes for cast steel parts, the following is considered to be disadvantageous.

Die schmiedende Verformung als Freiform- oder Gesenkschmieden, ist ein aufwendiges Verfahren, das mit hohen Drucken arbeitet und vor allem bei komplizierteren Formen.einen großen Zeitbedarf hat. Deshalb müssen die Werkstücke für die Verschmiedung we'it' .ins Gebiet des Gammaeisens aufgeheizt werden, und es sind zuweilen mehrere Zwischengltihungen erforderlich. Des weiteren sind bei geschmiedeten Stücken Formabweichungen nicht vermeidbar, wodurch größere Materialzugaben bezüglich der fertigbearbeiteten Werkstückform erforderlich werden.Forging deformation as open-die or closed-die forging is a complex process that works with high pressures and, especially with more complex shapes, a large one Needs time. Therefore, the workpieces for forging need we'it '. to be heated up in the Gamma Iron region, and at times several interim annulments are necessary. In addition, deviations in shape cannot be avoided in forged pieces, resulting in larger material allowances become necessary with regard to the finished workpiece shape.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verdichtenden Verformung rotationssymmetrischer Stahlgußwerkstückabschnitte zu entwickeln, wobei die Verformung bei sehr guter Maßhaltigkeit mit geringen Arbeitsdrucken und •sehr schnell durchzuführen ist.The invention is based on the object of a method for Develop compacting deformation of rotationally symmetrical cast steel workpiece sections, with the deformation at very good dimensional accuracy with low working pressures and • can be carried out very quickly.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Verformung durch Walzen'des dabei um seine Achse gedrehten rotationssymmetrischen Werkstückabschnittes zwischen zwei diametral am Werkstückabschnitt angreifenden Walzen erfolgt.According to the invention this object is achieved in that the Deformation by rolling the rotationally symmetrical workpiece section, rotated about its axis, between two rolls acting diametrically on the workpiece section takes place.

■ Bei diesem Walzvorgang wird ,eine Verdichtung des ErstarrungsgefUges des rotationssymmetrischen Werkstückabschnittes bis zu einer vom Walzdruck abhängigen Tiefe erreicht, wodurch .die bei einer anschließenden zerspanenden Verformung entstehend© Oberfläche wegen des dichteren Gefüges als Lauf- oder als Lagerfläche bedeutend besser geeignet ist als das Gußgefüge und gegen Wechselbeanspruchung widerstandsfähiger ist. Das Verfahren hat vor dar bekannten Verformung durch Pressen■ During this rolling process, there is a compaction of the solidification structure of the rotationally symmetrical workpiece section up to a depth that depends on the rolling pressure, whereby .the surface created during subsequent machining deformation due to the denser structure than running or is significantly more suitable as a storage area than the cast structure and is more resistant to alternating loads. The method has before the known deformation by pressing

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den weiteren Vorteil, daß es mit bedeutend geringeren Drucken auskommt, da der Walzdruck jeweils nur auf eine"schmale Fläche wirkt, verglichen.mit der großen Druckfläche beim Pressen. Des weiteren wird durch den Walzvorgang der rotationssymmetrische, gegossene Werkstückabschnitt auf dem ganzen Umfang sehr gleichmäßig und genau maßhaltig verformt, was zu einer gleichmäßigen Verdichtung der gesamten Oberfläche führt. Die Verformung kann bei guter Verdichtungswirkung auch sehr gering gewählt werden, da der Volumenanteil der Lockerstellen im dendritischen Gefüge im Vergleich zum. Gesamtvolumen sehr gering ist und dementsprechend die erforderliche Abnahme des äußeren Volumens beim Verdichtungsvorgang ebenfalls gering Job. Wegen des schnellen Ablaufs des Verformungsvorganges ist ein Erhitzen wie bei dem bekannten Schmieden und Stauchen auf so hohe Temperaturen wie 1100°, wo meist unerwünschte Grobkornbildung auftritt, nicht erforderlich, sondern die Verformung erfolgt bei Temperaturen unterhalb des Gebietes der Grobkornbildung. Die Verformung des rotationssymmetrischen Werkstückabschnittes zwischen den beiden diametral ati ihm angreifenden Walzen ist dadurch besonders wirksam, daß die Richtungen der Walzkräfte der beiden Walzen von der Richtung zur Achse des rotationssymmetrischen Werkstückteils abweichen und zwar entgegen den Walzenumlaufsrinnen. Daher ist die Verformung nicht rein stauchend, sondern gleichzeitig scherend, wodurch eine gute und gleichmäßige Durcharbeitung des Materials erreicht wird.the further advantage of being with significantly lower pressures gets by, since the roller pressure only applies to a "narrow" Area works compared to the large pressure area when pressing. Furthermore, the rotationally symmetrical, cast workpiece section is created on the whole by the rolling process The circumference is deformed very evenly and accurately, resulting in an even compression of the entire surface leads. The deformation can occur with a good compaction effect can also be chosen to be very low, since the volume fraction of the Looseness in the dendritic structure compared to. Total volume is very small and, accordingly, the required decrease in the external volume during the compression process as well low job. Because of the rapid deformation process is a heating as in the well-known forging and upsetting to temperatures as high as 1100 °, where mostly unwanted coarse grain formation occurs, not necessary, but the deformation takes place at temperatures below the area of coarse grain formation. The deformation of the rotationally symmetrical Workpiece section between the two diametrically ati attacking rollers is special effective that the directions of the rolling forces of the two rolls deviate from the direction to the axis of the rotationally symmetrical workpiece part, namely against the roller circulation channels. Therefore, the deformation is not purely compressive, but at the same time shear, whereby a good and even processing of the material is achieved.

Im einzelnen kann die Erfindung in folgender Weise vorteilhaft ausgesta-ltet sein.In detail, the invention can advantageously be designed in the following way.

Um eine besonders schnelle und gleichmäßige Bearbeitung des gesamten rotationssymmetrischen Abschnittes des Werkstückes zu erreichen, empfiehlt die Erfindung, die Wnlzenflache ebenso breit zu wählen, wie die rotationssymmetrischen Abschnitte der Werkstücke. In order to achieve a particularly fast and even processing of the entire rotationally symmetrical section of the workpiece To achieve, recommends the invention, the Wnlzenflache to be chosen as wide as the rotationally symmetrical sections of the workpieces.

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Das Verfahren arbeitet dadurch besonders wirtschaftlich, daß kein besonderer Glühvorgang erforderlich ist, sondern . daß die Verformung des Werkstückes zusammen mit der erforderlichen Vergütung durchgeführt wird, Sie beginnt bei der Vergütungstemperatur und endet ohne zusätzliches überhitzen oder Zwischenglühen oberhalb der Umwandlungstemperatur des Stahlgusses vom Gamma-Gittertyp in den Alpha-Gittertyp. This makes the process particularly economical, that no special annealing process is required, but rather. that the deformation of the workpiece along with the required Tempering is carried out, it starts at the tempering temperature and ends without additional overheating or intermediate annealing above the transition temperature of the cast steel from the gamma lattice type to the alpha lattice type.

Bei Werkstücken, die festigkeitsmäßig besonders hoch beansprucht werden, kann derVerformuntsgrad so hoch gewählt werden, daß die verdichtende Verformung den gesamten rotationssymmetrischen Werkstückabschnitten bis zu dessen Kern erfaßt'. For workpieces that are subject to particularly high stresses in terms of strength the degree of deformation can be selected so high that the compressing deformation of the entire rotationally symmetrical Workpiece sections detected up to the core '.

Im Übergangsbereich vom rotationssymmetrischen Werkfitückabschnitt zu den nicht rotationssymmetrischen Werkstückabschnitten erfolgt häufig eine besonders starke Biege- und Torsionsbeanspruchung. Um diesen Übergangsbereich besonders zu verfestigen, empfiehlt die Erfindung, daß im Bereiche der Übergangskanten im Gußzustand der Werkstücke eine stärke« re zusätzliche Materialzugabe erfolgt als an der übrigen Fläche des rotationssymmetrischen Werkstückabschnittes. Dann verdichtet das zusätzliche Material beim Walzen sowohl die Kantenbereiche der nicht rotationssymmetrischen als auch die Kantenbereiche der rotationssymmetrischen Werkstückabschnitte. In the transition area from the rotationally symmetrical work back section In addition to the non-rotationally symmetrical workpiece sections, there is often a particularly strong bending and bending Torsional stress. In order to particularly strengthen this transition area, the invention recommends that in areas the transition edges in the as-cast state of the workpieces a greater additional material addition takes place than on the rest Area of the rotationally symmetrical workpiece section. Then the additional material both compacts during rolling the edge areas of the non-rotationally symmetrical as well as the edge areas of the rotationally symmetrical workpiece sections.

Pas Verfahren ist besonders vorteilhaft durchzuführen mit einer Walzmaschine mit zw.ei angetriebenen Walzen. Diese sind senkrecht zu ihren Achsenrichtungen verfahrbar in der Ebene die durch ihre Achsen festgelegt ist, und sind gegen den zwischen ihnen befindlichen rotationsBymmetrischen Werkstück-This procedure is particularly advantageous to carry out with a rolling machine with two driven rollers. These can be moved in the plane perpendicular to their axis directions which is determined by their axes, and are against the rotationally symmetrical workpiece

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abschnitt, dessen Achse ebenfalls in der Verbindungsebene liegt, anstellbar. Der rotationssymmetrische WerkstUckabschnitt wird durch verstellbare Stützen bezüglich seiner Achsenlage fixiert.section whose axis is also in the connection plane lies, employable. The rotationally symmetrical workpiece section is fixed with respect to its axis position by adjustable supports.

Im folgenden wird als Beispiel der Erfindung die verdichtende Verformung eines Zapfens eines Kurbelhubes erläutert. Es zeigen im einzelnen dieIn the following, as an example of the invention, the compressing Deformation of a pin of a crank stroke explained. It show in detail the

Fig. 1-den Kurbelhub mit Hubzapfen in seitlicher Ansicht, Fig. 1 - the crank stroke with crank pin in a side view,

Fig. 2 den Kurbelhub mit Hubzapfen in axialer Ansicht, 2 shows the crank stroke with crank pin in an axial view,

Fig. 3 den Hubzapfen zwischen den beiden Walzen, senkrecht zur Achse gesehen,3 shows the crank pin between the two rollers, seen perpendicular to the axis,

Fig. 4 den Hubzapfen zwischen den beiden Walzen in Achsrichtung gesehen,Fig. 4 shows the crank pin between the two rollers in Axial direction seen,

Fig. 5 den Ubergangsbereich vom Hubzapfen in die Kurbelwange im Schnitt,Fig. 5 shows the transition area from the crank pin to the Crank web in section,

Fig. 6 eine elektro-öl-hydraulische Kurbelzapfenwalz-. maschine von der Seite gesehen undFig. 6 shows an electro-oil-hydraulic crankpin roller. machine seen from the side and

Fig. 7 die Kurbelzapfenwalzmaschine von oben gesehen.7 the crank pin rolling machine seen from above.

Der rotationssymmetrische Hubzapfen 1, der den rotationssymmetrischen Abschnitt 2 nach Fig. 1 und 2 bildet, wird oberhalb der AJpha-Gamma-Umwandlungstemperatur des Stahles gemäß Figur j5 und< 4 unter Drehung > zwischen zwei diametral am Hubzapfen 1 angreifenden Walzen 4,5 gewalzt. Die Breite derThe rotationally symmetrical crank pin 1, the rotationally symmetrical Section 2 of FIGS. 1 and 2 forms, is above the AJpha-gamma transition temperature of the steel according to Figure j5 and <4 under rotation> Rolled between two diametrically acting on the crank pin 1 rollers 4,5. The width of the

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Walzen 4,5 stimmt mit der Höhe des Hubzapfens 1 überein. Die Richtungen der Walzkräfte 6,7 weichen gegenüber der von den Walzenachsen 8,9 und der Hubzapfenachse IO gebildeten Ebene entgegen den Drehsinnen 11,12 der Walzen ab. Das bewirkt eine stauchende und scherende Verformung. Im BereichRolls 4.5 corresponds to the height of the crank pin 1. The directions of the rolling forces 6.7 differ from that formed by the roller axes 8.9 and the crank pin axis IO Level against the senses of rotation 11,12 of the rollers. This causes compression and shearing deformation. In the area

13 nach Fig. 1,2 und 5 > in welchem der Hubzapfen 1 in die Kurbelwange 14 übergeht, erfolgt eine besonders starke Torsionsbeanspruchung. Die strichlierte Linie 15 gemäß Fig. 5 stellt die Oberflächen von Hubzapfen 1-und Kurbelwange 14 in gegossenem Zustand dar. Im Kantenbereich zeigt die strichlierte Linie eine stärkere Material zugabe 16 als an der übrigen Zapfenoberfläche 17. Die Materialzugabe, durch die eine Verdichtung sowohl des Hubzapfens 1 als auch der Kurbelwange13 according to FIGS. 1, 2 and 5> in which the crank pin 1 merges into the crank web 14, a particularly strong torsional stress occurs. The dashed line 15 according to FIG. 5 represents the surfaces of the crank pin 1 and crank web 14 in the cast state Crank pin 1 as well as the crank web

14 erreicht wird, ist verdeutlicht durch die punktstrichllert eingezeichnete Walzenoberfläche 18.im Endzustand der Verformung des Hubzapfens 1. Die ausgezogene Linie 19 z-eigt den Hubzapfen 1 und die Kurbelwange 14 in fertiggedrehtem Zustand mit einer Hohlkehle 2o im Kantenbereich.14 is reached, is indicated by the dotted line drawn roller surface 18. in the final state of the Deformation of the crank pin 1. The solid line 19 shows the crank pin 1 and the crank web 14 in the finished turned state with a groove 2o in the edge area.

Die Walzenmaschine gemäß Fig. 6 und 7 hält zwei angetriebene Walzen JJ und 4 in einem Maschinen-Rahmen 21. Die Walzen werden mit ö!hydraulischen- Arbei-tszylindern 22,2JJ senkrecht zur Achsenrichtung in ihrer Verbindungsebene verfahren, und sie werden dabei durch ^e vier Gleitschuhe 24,25, die auf je vier Rohren 26, 27 gleiten, geführt. Der Hubzapfen 1 wird durch eine verstellbare Körnerspitze 28 bezüglich der Mittelachse zentriert und zentrisch und achsparallel auf einer Dreh scheibe 29 aufgespannt. ·The roller machine according to FIGS. 6 and 7 holds two driven rollers JJ and 4 in a machine frame 21. The rollers are moved with hydraulic working cylinders 22,2JJ perpendicular to the axis direction in their connecting plane, and they are thereby moved by ^ e four sliding shoes 24, 25, which slide on four tubes 26, 27 each, out. The crank pin 1 is centered by an adjustable center point 28 with respect to the central axis and clamped centrally and axially parallel on a rotary disk 29. ·

Als Bearbeitungsbeispiel sei die Anwendung des Verfahrens bei einer Schiffsdieselwelle mit einem Hubradius vom 5oo mm für einen Motor einer Leistung von 15ooo PS beschrieben. DerAs a processing example, consider the application of the method to a ship's diesel shaft with a stroke radius of 500 mm for an engine with an output of 15,000 hp. Of the

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Hubzapfen von 600 mm Durchmesser wurde bei einer. Flächenpressung von ca. loo kg/qmrn und einer Walztemperatur oberhalb der Alpha-Gamma-Umwandlungstemperatur bei ungefähr ■ 9-5.0% gewalzt. Dabei wurde eine Verdichtung des Randzonengebietes zwischen 60 und loo mm Tiefe durch Verschweißen kleinster Volumenfehlbeträge zwischen den Kristallen erreicht.Crank pin with a diameter of 600 mm was used on a. Surface pressure from approx. loo kg / qmrn and a rolling temperature above the alpha-gamma transformation temperature at approx. 9-5.0%. This resulted in a densification of the peripheral zone area between 60 and 100 mm depth achieved by welding the smallest volume deficits between the crystals.

Patentansprüche;Claims;

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Claims (7)

Patentansprüche;Claims; 1. Verfahren zur verdichtenden Verformung, vornehmlich der Oberflächen rotationssymmetrischer Abschnitte großen Durchmessers von Werkstücken aus Stahlguß, wie der Zapfen von Kurbelhüben, die oberhalb der Umwandlungstemperatur des Stahles vom Alpha-Gittertyp in den Gamma-Gittertyp durchzuführen ist, dadu-rch gekennzeichnet, daß die Verformung durch Walzen des dabei um seine.Achse (lo) gedrehten rotationssymmetrischen Werkstückabschnittes (1) zwischen zwei diametral am Werkstückabschnitt (l) angreifenden Walzen (4,5) erfolgt. (Fig. 2 und 4)1. Process for compacting deformation, primarily of the surfaces of rotationally symmetrical sections of large diameter of workpieces made of cast steel, such as the journals of crank strokes, which are above the transformation temperature of the steel from the alpha grid type to the gamma grid type is to be carried out, characterized in that the deformation by rolling the rotated about its axis (lo) rotationally symmetrical workpiece section (1) between two diametrically attacking workpiece section (l) Rolling (4,5) takes place. (Fig. 2 and 4) 2. Verfahren nach Anspruh 1, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die Arbeitsflächen der Walzen (4,5) ebenso breit sind wie die rotationssymmetrischen Werkstückabschnitte (i).2. The method according to Anspruh 1, d a d u r c h characterized in that the working surfaces of the rollers (4,5) are as wide as the rotationally symmetrical workpiece sections (i). 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß dieVerformung des Werkstückes zusammen mit der erforderlichen Vergütung durchgeführt wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized that the deformation of the workpiece is carried out together with the required compensation. 4. Verfahren nach Anspruch j5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformung bei der maximalen Vergütungstemperatur beginnt und ohne zusätzliches überhitzen oder Zwischenglühen oberhalb, der Umwandlungstemperatur des Stahlgusses vom Gamma-Gittertyp in den Alpha-Gittertyp abgeschlossen wird.4. The method according to claim j5, characterized in that that the deformation begins at the maximum tempering temperature and without additional overheating or intermediate annealing above the transition temperature of the cast steel from the gamma lattice type to the alpha lattice type will. 5. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die verdichtende Verformung den gesamten rotationssymmetrischen Werkstückabschnitt (l) bis zu dessen Kern erfaßt.5. The method according to any one of the above claims, characterized characterized in that the compressing deformation covers the entire rotationally symmetrical workpiece section (l) detected up to its core. - 9 0 0 98 A 9/03 35 ■ ■ *- 9 0 0 98 A 9/03 35 ■ ■ * 6. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, d" a du roh g e k e η η ζ e i c h η e t , daß im Bereich (13) der Ubergangskanten des rotationssymmetrischen WerkstÜekabschnittes (l) in die nicht rotationssymmetrischenWerkstückabschnitte .(l4) im Gußzustand der Werkstücke eine stärkere zusätzliche Materialzugabe (l6) erfolgt als an der übrigen Fläche (17) des rotationssymmetrisehen Werkstückabschnittes (I)."6. The method according to any one of the above claims, d "a you raw g e k e η η ζ e i c h η e t that in the area (13) of the transition edges of the rotationally symmetrical workpiece section (l) into the non-rotationally symmetrical workpiece sections . (14) in the as-cast state of the workpieces a stronger additional Material addition (l6) takes place as on the remaining surface (17) of the rotationally symmetrical workpiece section (I). " 7. Walzmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der obigen Ansprüche ,gekennzeichnet durch zwei in einem Maschinen-Rahmen (21) gelagerte, angetriebene Walzen (4,5), die senkrecht zu ihren Achsen (8,9) in der Ebene verfahrbar sind, die ihre Achsen (8,9) verbindet und die gegen den zwischen ihnen mit seiner Achse (lo) in der Verbindungslinie liegenden rotationssymmetrischen Werkstückabschnitt (1) anstellbar sind und durch verstellbare Stützen (28,29) für ^defi rotationssymmetrischen Werkstückabschnitt (1). ·7. Rolling machine for performing the method according to one or more of the above claims, characterized by two in a machine frame (21) mounted, driven rollers (4,5) which can be moved in the plane perpendicular to their axes (8,9) are connecting their axes (8,9) and the rotationally symmetrical against the lying between them with its axis (lo) in the connecting line of the workpiece section (1) are adjustable and by adjustable supports (28,29) for ^def i rotationally symmetrical workpiece portion (1 ). · LQ/ητ3 κ LQ / ητ3 κ LeerseiteBlank page