DE19545177A1 - Verfahren zum Drückwalzen eines Werkstücks - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Drückwalzen eines Werkstücks, welches gemeinsam mit einem Drückfutter in Ro­ tation versetzt und durch zumindest eine Umformrolle an das Drückfutter angedrückt und umgeformt wird, wobei vor und/oder während des Andrückens Wärmeenergie in das Werkstück eingebracht wird.

Ein gattungsgemäßes Verfahren geht aus der EP 0 451 268 A1 hervor, bei dem zur Verbesserung des Umformverhaltens des Werkstücks Wärmeenergie mittels eines Brenners eingebracht wird. Durch eine erhöhte Temperatur des Werkstücks können beispielsweise während des Umformprozesses entstandene Spannungen abgebaut werden, wodurch sich die Gefahr einer Rißbildung oder des Brechens des Werkstücks vermindert.

Bei diesem bekannten Verfahren hat sich jedoch die Steue­ rung der Einbringung einer bestimmten Wärmemenge als kom­ pliziert und ungenau herausgestellt. Beispielsweise besteht bei der Einbringung einer relativ großen Wärmemenge mit ei­ nem Brenner die Gefahr, daß sich im Werkstück große Tempe­ raturgradienten mit entsprechend großen Wärmespannungen einstellen. Des weiteren kann der Werkstoffmatrix hierbei Kohlenstoff entzogen werden, wodurch sich das Festigkeits­ verhalten des Werkstücks in unerwünschter Weise verändert. Zudem weisen Brennergase häufig Verunreinigungen, bei­ spielsweise Schwefel, auf, welche das Korrosionsverhalten des Werkstücks beeinträchtigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Drückwalzen zu schaffen, bei dem eine bestimmte Wärmemenge besonders genau und zugleich schonend in das Werkstück eingebracht wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Be­ reich des Werkstückes ein elektromagnetisches Feld zur in­ duktiven Wärmeeinbringung erzeugt wird. Mit einem elektro­ magnetischen Feld können in dem Werkstück Wirbelströme her­ vorgerufen werden, die zu einer Temperaturerhöhung des Werkstücks führen. Die Wirbelströme und die damit verbunde­ ne Temperaturerhöhung sind im wesentlichen proportional zu der Stärke des erzeugten elektromagnetischen Feldes. Das für eine bestimmte Temperaturerhöhung notwendige Feld kann durch bekannte physikalische Formeln ermittelt oder durch Probeläufe experimentell bestimmt werden. Da bei dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren auf ein Brennergas ganz verzichtet werden kann, besteht auch kaum die Gefahr von unerwünschten chemischen Reaktionen an der Werkstückoberfläche.

Das elektromagnetische Feld kann als ein Wechselfeld oder ein statisches Feld ausgelegt werden. Bei einem statischen Feld ergeben sich die Wirbelströme aufgrund der Rotation des Werkstücks innerhalb des Feldes.

Eine besonders genaue Erwärmung des Werkstückes läßt sich dadurch erreichen, daß das elektromagnetische Feld zur Ein­ bringung einer definierten Wärmemenge gesteuert wird. Das elektromagnetische Feld kann hierbei an unterschiedliche Gegebenheiten, etwa Werkstoff, Werkstückmaße, Umformgrad, etc., angepaßt werden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens besteht darin, daß die Steuerung des elektromagne­ tischen Feldes in bezug auf die Feldstärke, die Zeitdauer, den Ort und/oder die Eindringtiefe durchgeführt wird. Diese einzelnen Parameter können einzeln oder in Kombination während des Umformvorganges verändert werden. Durch ent­ sprechende Einstellung der Parameter kann eine gewünschte Erwärmung in einem bestimmten Teilbereich des Werkstücks, insbesondere der Umformzone, eingestellt werden. Diese Teilerwärmung ist einerseits schonend für das Werkstück und andererseits energiesparend.

Der Umformvorgang läßt sich effizient dadurch unterstützen, daß eine Veränderung des elektromagnetischen Feldes abhän­ gig vom Umformzustand des Werkstücks gesteuert wird. So kann beispielsweise das elektrische Feld vor oder zu Beginn des Umformvorganges mit einer hohen Feldstärke eingestellt werden, welche dann zum Ende des Umformvorganges hin redu­ ziert wird. Des weiteren kann das elektromagnetische Feld auch in seiner räumlichen Ausdehnung an den momentanen Ver­ formungszustand des Werkstücks angepaßt werden.

Eine einfache Möglichkeit zur Veränderung des elektromagne­ tischen Feldes besteht darin, daß die Steuerung gemäß einem Speicherprogramm ausgeführt wird. Ein einzelnes Speicher­ programm umfaßt dabei alle relevanten Parametereinstellun­ gen und gegebenenfalls deren Veränderungen im Laufe des Um­ formvorganges. Sobald für ein Werkstück einmal ein Steuer­ programm zur Wärmeeinbringung mittels des elektromagneti­ schen Feldes ermittelt ist, kann dieses in einem geeigneten Speicher abgespeichert werden und beliebig oft zur Bearbei­ tung eines weiteren Werkstückes gleicher oder ähnlicher Form aufgerufen werden. Das Verfahren ist so besonders flexibel im Hinblick auf häufigen Produktwechsel.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, daß die Erzeugung des elektromagnetischen Feldes mittels mindestens eines im Bereich der Umformrolle angeordneten Induktors erfolgt. Dieser eine Spule aufwei­ sende Induktor ist vorzugsweise sehr nah am Umfang des ro­ tierenden Werkstücks jedoch mit einem gewissen Abstand von diesem angeordnet, so daß keine Reibung auftritt.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist es vorteilhaft, daß das elektromagnetische Feld abhängig von der Rotation des Werkstücks versetzt zur Umformzone im Kontaktbereich zwi­ schen Werkstück und Umformrolle erzeugt wird, so daß sich in der Umformzone eine Erwärmung einstellt. Obwohl durch Induktion eine sehr schnelle Erwärmung erreicht wird, wird dennoch eine gewisse Zeitspanne benötigt, bis sich die gewünschte Temperatur einstellt. Unter Berücksichtigung der Rotationsgeschwindigkeit des rotierenden Werkstückes wird das elektromagnetische Feld mit einem bestimmten Winkelver­ satz derart vor der Umformrolle angeordnet, daß der jeweils erwärmte Werkstückbereich bei Erreichen der Umformzone ex­ akt die gewünschte Temperatur aufweist. Hierbei kann der Umformvorgang besonders präzise durchgeführt werden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Ausführungsform be­ steht darin, daß zur Steuerung des elektromagnetischen Fel­ des der radiale Abstand des Induktors zum Werkstück verän­ dert wird. Der Induktor kann somit auch während des Umform­ vorganges des Werkstückes stets den idealen Abstand einhal­ ten. Gleichzeitig kann aber auch mit einer Veränderung des Abstandes beispielsweise die Eindringtiefe des elektromag­ netischen Feldes in das Werkstück verändert werden. Somit ist durch die mechanische Verstellung eine zusätzliche Mög­ lichkeit zur Steuerung des elektromagnetischen Feldes ge­ geben.

Zur Erreichung einer besonders zügigen Durchführung des Um­ formvorganges ist es vorgesehen, daß das Drückwalzen mit drei gleichmäßig am Umfang des Werkstücks angeordneten Um­ formrollen durchgeführt wird, und daß die Wärmeeinbringung durch ca. 60° versetzt zu den Umformrollen angeordnete Induktoren erfolgt.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, daß die Umformrolle durch das elektromagnetische Feld er­ wärmt wird. So kann beispielsweise die Umformrolle selbst zu Beginn des Umformverfahrens vor der Umformung vorgeheizt werden, ohne daß zusätzlicher Aufwand betrieben werden muß oder zusätzliche Apparaturen notwendig wären.

Zur schnellen Einbringung großer Energiemengen ist es vorteilhaft, daß die Außenkontur des Induktors an zumindest einen Konturbereich des Werkstücks angepaßt ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei­ spielen weiter erläutert, welche in den beigefügten Zeich­ nungen dargestellt sind. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung, welche zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist,

Fig. 2 eine vergrößerte Teil-Querschnittsansicht eines Werkstücks, welches in die Vorrichtung von Fig. 1 eingespannt ist, und

Fig. 3 eine alternative Ausführungsform gemäß der Ansicht von Fig. 2.

In Fig. 1 ist eine Drückmaschine 10 dargestellt, welche zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient. Ein zu bearbeitendes Werkstück 5a wird in der Drückmaschine 10 zwischen einem Drückfutter 13 und einem Gegenhalter 14 ein­ gespannt, wie aus Fig. 2 zu ersehen ist. Zur Durchführung einer gewünschten Umformung wird das zu bearbeitende Werk­ stück 5a um eine Drehachse 12 mittels des Drückfutters 13 und des Gegenhalters 14 in Rotation versetzt. Die Rotations­ richtung verläuft entsprechend dem Pfeil P1 in Fig. 1.

Bei dieser Ausführungsform der Drückmaschine 10 sind an de­ ren Maschinenbett 11 insgesamt drei Bearbeitungseinheiten 30 gleichmäßig beabstandet zueinander, also mit einem Win­ kelversatz von 120°, entlang des Umfangs des rotations­ symmetrischen Werkstücks 5 angeordnet.

Jede Bearbeitungseinheit 30 weist eine Umformrolle 31 auf, welche um eine parallel zur Drehachse 12 ausgerichtete Ach­ se 32 drehbar ist. Mittels einer Verstelleinrichtung 33 kann die Umformrolle 31 radial auf das Werkstück 5 zu oder von diesem weg bewegt werden. Die Verstellbewegung erfolgt in Richtung der Pfeile P2. Zum Umformen des Ausgangswerk­ stücks 5a zu einem fertigen Werkstück 5, beispielsweise ein Rad für ein Automobil, wird die Umformrolle 31 in Kontakt mit dem Werkstück 5 gebracht. Während der Rotation des Werk­ stückes 5 wird dieses durch die Umformrolle 31 in einer Um­ formzone 6 gegen das Drückfutter 13 gedrückt, wobei eine bleibende Umformung stattfindet.

Zur Verbesserung des Umformvorganges wird erfindungsgemäß induktiv Wärme in das Werkstück 5 eingebracht. Dies ge­ schieht mittels eines Induktors 20, wobei jeder Bearbei­ tungseinheit 30 ein Induktor 20 zugeordnet sein kann. Die einzelnen Induktoren 20 sind umfangsmäßig versetzt zu den jeweiligen Bearbeitungseinheiten 30 und zum Werkstück 5 an­ geordnet. Bei dieser Ausführungsform beträgt der Winkel­ versatz zwischen dem Induktor 20 und der zugehörigen Bear­ beitungseinheit 30 ca. 60°.

Jeder Induktor 20 weist einen Induktorkopf 21 mit einer nicht dargestellten Spuleneinrichtung zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes auf. Der Induktorkopf 21 kann mittels einer Verstelleinrichtung 22 radial in Richtung auf das Werkstück 5 zu oder von diesem weg entlang der Pfeile P3 bewegt werden. Die nicht dargestellte Spuleneinrichtung dient zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes in ei­ nem Teilbereich des Werkstücks 5. Durch dieses elektroma­ gnetische Feld werden in dem metallischen Werkstoff des Werkstücks 5 Wirbelströme erzeugt, die eine gewünschte Tem­ peraturerhöhung des Werkstücks 5 hervorrufen.

Die Induktoren 20 sind in axialer Richtung des Werkstücks 5 in einer Ebene mit der jeweils zugehörigen Umformrolle 31 angeordnet, wie in Fig. 2 zu erkennen ist. Abhängig von der Rotation des Werkstücks 5 ist der Induktor 20 so vor der jeweiligen Umformrolle 31 angeordnet, daß die Wärmeenergie zeitlich versetzt in die Umformzone 6 eingebracht werden kann. Des weiteren sind der Induktor 20 und die Bearbei­ tungseinheit 30 auch längs der Drehachse 12 verstellbar. Alle Verstellbewegungen können CNC-gesteuert ausgeführt werden, so daß eine präzise Wärmeeinbringung und Umformung erreicht wird.

In Fig. 3 ist eine alternative Ausführung des Induktorkopfs 21 des Induktors 20 dargestellt. Der Induktorkopf 21 weist eine Außenkontur auf, die an die Kontur des Ausgangswerk­ stücks 5a in der Umformzone 6 über einen größeren Bereich angepaßt ist. Zur Einbringung großer Energiemengen bei großen Materialquerschnitten ist die Außenkontur des Induktorkopfs 21 so ausgebildet, daß ein im wesentlichen konstanter Abstand zu einem Bereich des Werkstücks 5 eingehalten wird.

Claims (11)

1. Verfahren zum Drückwalzen eines Werkstückes, welches gemeinsam mit einem Drückfutter in Rotation versetzt und durch zumindest eine Umformrolle an das Drückfutter angedrückt und umgeformt wird, wobei vor und/oder wäh­ rend des Andrückens Wärmeenergie in das Werkstück ein­ gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Werkstückes (5) ein elektromagneti­ sches Feld zur induktiven Wärmeeinbringung erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektromagnetische Feld zur Einbringung einer definierten Wärmemenge gesteuert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des elektromagnetischen Feldes in be­ zug auf die Feldstärke, die Zeitdauer, den Ort und/oder die Eindringtiefe durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Veränderung des elektromagnetischen Feldes ab­ hängig vom Umformzustand des Werkstückes (5) gesteuert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung gemäß einem Speicherprogramm ausge­ führt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung des elektromagnetischen Feldes mit­ tels mindestens eines im Bereich der Umformrolle (31) angeordneten Induktors (20) erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das elektromagnetische Feld abhängig von der Rota­ tion des Werkstücks (5) versetzt zur Umformzone (6) im Kontaktbereich zwischen Werkstück (5) und Umformrolle (31) erzeugt wird, so daß sich in der Umformzone (6) eine Erwärmung einstellt.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des elektromagnetischen Feldes der radiale Abstand des Induktors (20) zum Werkstück (5) verändert wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Drückwalzen mit drei gleichmäßig am Umfang des Werkstücks (5) angeordneten Umformrollen (31) durchge­ führt wird und
daß die Wärmeeinbringung durch ca. 60° versetzt zu den Umformrollen (31) angeordnete Induktoren (20) er­ folgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Umformrolle (31) durch das elektromagnetische Feld erwärmt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenkontur des Induktors (20) an zumindest einen Konturbereich des Werkstücks (5) angepaßt ist.