DE2741182A1

DE2741182A1 - Ziehverfahren und vorrichtung zu seiner durchfuehrung

Info

Publication number: DE2741182A1
Application number: DE2741182A
Authority: DE
Inventors: Bertwin Dr Langenecker
Original assignee: PVL PHYSIKALISCHE VERSUCHSANST
Current assignee: PVL PHYSIKALISCHE VERSUCHSANST
Priority date: 1976-09-16
Filing date: 1977-09-13
Publication date: 1978-03-30
Also published as: AT353737B; SE7710252L; ATA686576A; US4292826A; IT1091015B; CH625141A5; FR2364706A1; GB1592970A; JPS53131264A; BE858804A

Description

Es ist von Vorteil, im Abstand D vom Ziehstein eine Reflektorrolle 5 vorzusehen, bei der der zu ziehende Draht fest anliegt, oder um den vollen Umfang der Reflektorrolle herum aufgelegt werden kann, wobei vorzugsweise der Abstand D ein Vielfaches der halben Wellenlänge des angewendeten Ultraschallfeldes betragen soll. Anstelle der Reflektorrolle kann man im Abstand D auch einen zweiten Ziehstein anordnen und dadurch denselben Effekt, nämlich das Ausbilden von stehenden Wellen, erzielen.

i)er von der Vorratsspule 7 abzuziehende Draht wird von der Reflektorrolle 5 zu dem durch den Motor 9 über ein anpassendes Getriebe 10 angetriebenen Ziehteller 6 geführt. Wenn man die bei der Verformung auftretenden Kräfte messen will, empfiehlt es sich, eine Zugkraftmeßdose 8 zwischen Reflektorrolle 5 und Ziehteller anzuordnen.

Das erfindungsgemäße Verfahren hebt die wiederholt erwähnte Geschwindigkeitsbegrenzung für die Verformung auf und eröffnet damit den uneingeschränkten Einsatz der angestrebten Effekte von Makroschall bis zu den höchsten, derzeit in der Praxis der Draht-, Rohr- und Stangenherstellung angewendeten Verformürigsgeschwindigkeiten. Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt der an Hand der Fig. 1 erläuterte Aufbau zugrunde, jedoch mit dem wesentlichen und entscheidenden Unterschied in der Ausführung, in der Anordnung und damit in der Funktion der Bauelemente Ziehstein 1, Konverter 3, Horn 4 und reflektierende Ebene im Abstand D, der in Fig. 1 als Abstand von der Umlenkrolle 5 oder durch Anbringung eines zweiten Ziehsteines im Abstand D angegeben worden ist. Die

neuartigen
erfindungsgemäßen/Bauelemente sind vor dem Ziehteller 6 (oder vor einer sonstigen beliebigen Zugvorrichtung anstelle von 6) und vor einer allenfalls verwendeten Zugkraft-Meßvorrichtung 8 und damit nach der Vorratsspule 7 anzuordnen und werden an Hand der Fig. 2 näher beschrieben.

Das wesentliche Merkmal besteht erfindungsgemäß in der sinnvollen Vereinigung der Aktivierung von Umformprozessen durch Ultraschalleinwirkung im Sinne der eingangs erwähnten Effekte mit der hydrodynamischen Schmierung. Diese Art der Schmierung ist

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schon vor längerer Zeit bekannt geworden und wird beispielsweise beim Schmieren von Lagern angewendet; (dem Autofahrer ist ein in seinen physikalischen Effekten gleichartiges Phänomen unter "Aqua-1'laiiing" beim Fahren auf nasser Fahrbahn mit erhöhter Geschwindigkeit bekannt).

Für diese Schmierung ist charakteristisch, daß sie erst bei erhöhten Relativgeschwindigkeiten, beispielswei: e c'xt.^z Drahtes gegenüber der Wandung einer engen Röhre (mit nicht viel größerer Bohrung als dem Drahtdurchmesser) in Erscheinung tritt. Die hydrodynamische Schmierung kommt dadurch zustande, daß das Schmiermittel einerseits am Draht und andererseits an der Kohrinnenwand anhaftet und durch die gegenseitige Bewegung von Draht und Rohr Scherungskräfte im Schmiermittel auftreten, die schließlich Druckkräfte erzeugen, die 'genügend groß sind, um das Schmiermittel auch bei hohen. Ziehgeschwindigkeiten ohne Abreißen des Schmierfilmes in die Verformungszone (etwa in den Ziehstein) hincinzudrücken. Ohne diesen hydrodynamischen Effekt können Schmiermittelfilme bei hohen Geschwindigkeiten abreißen und zum Verreiben im Ziehstein und somit zum Betriebsausfall führen. Der hydrodynamische Schmiereffekt gewährleistet also Verformungsgrade bei hohen Verformungsgeschwindigkeiten mit geringem Verschleiß der Ziehwerkzeuge. Ohne die Anwendung von Makroschall kann man aber derartige Schmiermitteleffekte nur dann nützen, wenn man zum Anfahren entsprechende Hochdruckpumpe^ verwendet, denn der hydrodynamische Effekt setzt eine verhältnismäßig hohe Hindestverformungsgeschwindigkeit (Ziehgeschwindigkeit) voraus. Mittels Hochdruckpuinpen muß also zunächst der hohe Schmiermitteldruck erzeugt werden, wenn man mit einer solchen Ziehanlage anfahren will und da die Hochdruckpumpen kostspielig und voluminös sind, bringen die Hochdruckpurnpen einen dementsprechend hohen Aufwand an Kosten und Instandhaltung mit sich. Denn es sind nämlich bis zu 10.000 atü notwendig; und dementsprechende Pumpanlagen.

Mit Makroschall kann hingegen gerade beim Anfahren aus dem Stillstand besonders effektiv gearbeitet werden. Da überdies die Anfahrspitze, die sich selbst bei den vorerwähnten Hochdruckpump-

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anlagen einstellen würde, unter Ultraschalleinwirkung wesentlich vermindert werden kann, ist as möglich, von vornherein mit wesentlich größeren Querschnittsabnahmen anzufahren. Mit zunehmender Gesohwindigkei t, wenn man sich also größenordnungsmäßig im Bereich der oben erwähnten Schallschnelle befindet, nimmt der I'ffekt dus Hakroschalles im Sinne der obigen Ausführungen auf die ?letal !plastizität ab, aber gleichermaßen nimmt die Wirkung der hydrodynamischen Schmierung von sich aus zu. Durch geeignete Dimension!erung der Einlaufkanäle, die man erfindungsgemäß ve dem Ziehstein anbringt und die sich erfindungsgemäß innerhalb des Ultraschallsystems befinden, kann ein kontinuierlicher Übergang der dominierenden Rolle von liakroschalleffekt auf hydrodynamischen Schmiereffekt erreicht werden- Dazu wird an Hand der Fig. 2 der erfindungsgemäße Aufbau erläutert:

Im Ziehstein 1 wird der Draht 2 verformt, der in Fig. 2 von im Bilde rechts nach links gezogen wird. Dabei übt der Ziehstein 1 Ultraschallschwingungen in der Ziehrichtung aus. Diese Schwingungen rühren vom Konverter 3 her und werden in ihrer longitudinalen Ausbreitungsrichtung im ersten Teil 4a des Hornsystems um 90 gedreht. Somit schwingt auch der zweite Teil 4b des Hornsystems in der Hichtung der Längsachse des Drahtes 2, so daß der angenähert im Bewegungsbauch des Hornsystemteiles 4b befindliche Ziehstein 1 die vorerwähnten Schwingungen mitmacht. Das Hornsystem_v das senkrecht zur Zeichenebene eine geringere Dicke aufweist als in der Zeichenebene, weist einen Halterungsring 4c auf, der in den Flanschen'12 festgehalten und damit an die Ziehmaschine befestigt werden kann. Durch den Flansch führt man das Schmiermittel zu, daß durch die öffnung 13 und durch die Kanäle 13a und 13b an den durch das dickwandige Rohr 14 zum Ziehstein 1 einlaufenden Draht 2 herangeführt wird. Dort, wo das Schmiermittel in das Innere des Rohres 14 und damit an den Draht 2 gelangt ( es ist dies übrigens der Bereich des Bewegungsknotens des Hornsystems) weist das Rohr 14 eine verhältnismäßig große Bohrung 15a auf, deren Durchmesser bis zu einem Mehrfachen des Drahtdurchmessers betragen kann. Erst im Bereich 15b des Rohres 14 ist der Innendurchmesser nur wenig (einige zehntel Millimeter)

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größer els der Durchmesser des Drahtes 2 und so tritt hier der
hydrodynamische Effekt ein, der dazu führt, daß mit zunehmender
Ziehgeschwindigkeit der Druck zunimmt, mit dem das Schmiermittel in die Verformungszone des Ziehsteines 1 eingedrückt wird.

Um die bereits an Hand der Fig. 1 geforderte "stehende Welle" zustandezubringen, kann man entweder völlig analog zu den Ausführungen an Hand der Fig. 1 im Abstand D außerhalb des in Fig. veranschaulichten Hornsystems eine Umlenkrolle oder einen zweiten Ziehstein anordnen, oder man kann erfindungsgeraäß innerhalb des
in Fig. 2 gezeigten Hornsystems im Abstand D einen zweiten Ziehetein 11 einsetzen. Den Abstand D hält das Rohr 14, welches natürlich für verschiedenartige Werkstoffe, die zu ziehen sind, an die obigen akustischen Bedingungen anzupassen ist,also der Wellenlänge^ ider zu ziehenden Werkstoffe entsprechen muß. Erfindungsgemäß
kann man nun auch vor diesem zweiten Ziehstein 11 ein Hohr 16 einbjringen, welches wiederum eine zunächst weite Innenb'ohrung 17a
und dann, im Nahebereich des Ziehsteines 11, jene enge Innenbohrung 17b aufweist, die zu dem beschriebenen hydrodynamischen
Schraiereffekt vor dem zweiten Ziehstein 11 führt. Das Schmiermittel kann prinzipiell gesondert von der oben beschriebenen Schmiermittelzufuhr zum Ziehstein 1 erfolgen, also auch vor dem Einlauf in das in Fig. 2 gezeigte Hornsystem, man kann aber erfindungsgemäß auch durch den Kanal 13c das Schmiermittel in den Raum 13d transportieren, von wo es durch radiale Bohrungen 13e im Rohr in die erwähnten Innenbohrungen 17a und 17b eintritt. Zur Beförderung des Schmiermittels zu den Rohren 14 und 16 genügt je nach Viskosität des Schmiermittels ein geringer Überdruck über Atmosphärendruck. Der hydrodynamische Schmierdruckeffekt tritt ja von diesem Förderdruck unabhängig durch die oben erwähnten Effekte
bei entsprechender Dimensionierung (Länge und Weite der Innenbohrung 15b und 1?b) in Erscheinung.

Zu erwähnen ist noch das Gewinde 18, mit dem das Rohr 16
verschraubt wird, so daß ea das ganze Paket aus Ziehstein 1 und
Ziehstein 11 samt den beiden Rohren 14 und 16 zusammenhält, indem es gegen den Auslauf 4d im Hornsystemte.il 4b drückt. Das Gewinde 18 ist übrigens vorteilhafterweise angenähert im Bewegungsknoten des Hornsystems anzuordnen.

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Selbstverständlich kann man auf die engen Innenbohrungen 15b und 17b und damit auf den hydrodynamischen Schmiereffekt verzichten und dann mit dem reinen Makroschalleffekt ziehen. Auch hierbei stellt das erfindungsgemäße Hornsystem 4a und 4b eine den bisher beschriebenen Ultraschall-Aktivierungselementen für Ziehsteine überlegene Bauform dar, die nicht nur die Verstärkung der mechanischen Schallwechselamplituden, die vom Konverter 3 herrühren, gewährleistet, sondern sich auch durch besonders praxisaahe Konstruktion auszeichnet. Der bzw. die Ziehsteine 1 und 11 sind sehr handlich einzusetzen und aus-zuwechseln wobei der Abstand D innerhalb des schwingenden Systems noch, dazu mit synchronen Schwingungen'der beiden Ziehsteine 1 und 11 gewährleintet wird; ferner ist das erfindungsgemäße Schmieren beider Ziehsteine bestens möglich sowie auch schließlich die Erweiterung des Hornsystems 4a und 4b durch Anschrauben von weiteren Ultraschallbauelementen mittels Gev/inde 4e, beispielsweise wenn man an dieses System in-lins ein Ultraschallreinigungssystem ansetzen will.

Zur Ausbildung der stehenden Welle genügt es, wenn die Querschnitt sverringerung des Drahtes im Ziehstein 11 gering ist oder der Draht in diesem Ziehstein bloß eng geführt ist. Der Abstand D ist von dsr Wellenlänge des angewendeten Schallfeldes abhängig, wobei Longitudinalschwingungen oder andere Schwingungskomponenten wie Biegewellen, Transversalwellen, Dehnungswellen, vorgesehen werden können.

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Claims

Patent anspräche :

( 1 .Iverfahren zum Ziehen von Drähten, Stangen, Rohren u.dgl. mitteln Ziehdüsen unter Verwendung von Makroschall, dndurch gekennzeichnet, daß die Ziehdüse hydrodynamisch geschmiert wio?d.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmiermittel mit hohem Druck, z.B. mittels Pumpen in die Ziehdüse hineingepreßt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformungsgeschwindigkeit größenordnungsmäßig gleich oder größer als die Schallschnelle gewählt wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einem Ultraschalluraf oriner, einem die Ultraschallwellen verstärkenden Horn und mindestens einem im Makroschallbereich angeordneten, senkrecht zum Draht gerichteten Ziehstein, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ziehstein ein vom Draht durchlaufener Kanal vorgeschaltet ist, dessen Durchmesser in einem die hydrodynamische Schmierung gewährleisteten Ausmaß größer ist a Ls der Durchmesser des Drahtes vor dem Ziehstein.
^lj. Vorrichtung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ziehstein im \bstand eines Vielfachen der halben Wellenlänge des angewendeten Longitudinal-Makroschallfeldes oder anderer Schwingungskomponenten, wie Biegewellen, Transversalwellen, Dehnungswellen, ein v/eiterer, hydrodynamisch geschmierter Ziehstein vorgeschaltet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ziehsteine und die Rohre in einer gemeinsamen, einseitig offenen Bohrung des Homes angeordnet und gemeinsam in dieser kraftschlüssig, z.B. mittels einer Verschraubung, in ihrer Lage sicherbar sind, wobei die Verschraubung in einem Bewegungsknoten von Rohr und Horn angeordnet ist.

Den Gegenstand der Erfindung bildet ein Verfahren und eine

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Vorrichtung zum Ziehen von Drähten, Stangen, Rohren u.dgl. mittels Makroschali (d.i. Ultraschall großer Amplitude) unter Anwendung der· hydrodynamischen Schmierung.

Es Lijt bekannt (aus Literaturnachweis F. Blaha und B. Langenecker "Dehnung von Zink-lLristallen unter Ultraschalleinwirkung"; die Maturwissenschaften,20, 556 und 557 (1955) und B. liangeneckor, G.W. Fountnin und V.O. Jones, "Ultrasonics: An Aid to Metal Forming?"; Metal Progress (1964), daß die zur I * : ■■ Aufrechterhaltung der plastischen Verformung von metallischen \_% Werkstoffen notwendigen äußeren Zug- oder Druckspannungen durch

einwirkenden Makroschall genügend großer Intensität befcrächt- -/. üch herabgesetzt werden können, was Anwendungsmöelichkeiten in -1 " der metallverarbeitenden Industrie in Aussicht stellt. Auf diesem 'J ' Effekt der Verminderung der äußeren Verformungskräfte durch ein-¹^ wirkenden Ultraschall beruhen mehrere patentrechtlich geschützte ;| Verfahren und Vorrichtungen (US-PS 2.638.207; 2.568.303 und ',' OE-PS 24-6.082), die in ihrer Konzeption auf die in den vorerwähnten Zeitschriften beschriebene Anordnung zurückgehen: Der i zur Wirkung gelangende Ultraschall wird in einem Konverter (Um-ί former) durch Umwandlung von elektrischen Signalen in raechani-■ sehe Schwingungen erzeugt und in einem in Richtung seiner Längsachse schwingenden Horn verstärkt. In der Kegbl wird in einem ; der Bewegungsbäuche des akustisch schwingenden Hornes der Ziehstein angeordnet, in welchem die Verformung des Drahtes (in der ? Folge sind immer auch Stangen, Rohre, frofildrähte u.dgl. gemeint) stattfindet. Nur in der OE-PS 246.082 wird der Ziehstein (Düse) im Bewegungsknoten, d.h. also im Spannungsbauch des in stehender Ultraschallschwingung befindlichen Düsenträgers (Hornes) angebracht.
' Alle diese und ähnliche Verfahren und Vorrichtungen sind

nur bei Ziehgeschwindigkeiter. besonders wirksam, die nicht größer J als etwa die sogenannte "Schallschnella" sind. (Unter der Schall-1 schnelle ν eines Schallfeldes versteht man die sich räumlich g und zeitlich periodisch ändernde Geschwindigkeit der schwingenden Teilchen. Sie wird in den üblichen Geschwindigkeitsmaßen

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geraessen:

ν = A . \jj . cos (J (t - ϊ

worin A die Amplitude,ω die Kreisfrequenz und ο die Schallgeschwindigkeit bedeuten.)

Demgemäß sind nennenswerte Effekte von Makroschall auf die Metallplastizitat bei den bisher üblichen Frequenzen von weniger als 100 kHz -■ ίιΐ der Kegel 20 - JO kHz - bei Ziehgoschwindigkeiten unter einigen Metern pro Sekunde möglich. Da in der industriellen Praxis schwer verformbare Werkstoffe (z.B. Molybdän, Wolfram u. a. m.) konventionell, also ohne die Anwendung von Makroschall, wesentlich langsamer gezogen werden als der Schallschnelle entspricht, bringt in allen Fällen die F/inwirkung von Makroschall nach den zitierten Verfahren und Vorrichtungen tatsächlich beträchtliche Steigerungsmöglichkeiten der Ziehgeschwindigkeiten mit sich und ermöglicht es auch, die Querschnittsabnahme je Ziehstufe gegenüber den bisher üblichen konventionellen Drahtziehverfahren erheblich zu erhöhen und dadurch die Produktivität der üblichen Drahtziehverfahren beträchtlich zu steigern.

Außerdem ist es möglich, Drähte auch aus solchen Werkstoffen herzustellen, die bei den bisher üblichen konventionellen Verfahren entv/eder gar nicht oder nur durch Zufuhr von Wärme (durch Aufheizen des Drahtes) gezogen werden können. Das Aufheizen der Drähte bringt es mit sich, daß die Werkstoffeigenschaften durch die thermische Einwirkung nachteilig beeinflußt werden können und dies macht mitunter eine geeignete Nochbehandlung zur Wiedererlangung bzw. zur Erzielung der gewünschten Drahteigenschaften notwendig.

Das Makroschall-Ziehverfahren erspart das Aufheizen solcher Drähte aus V/erkstoffen, die sich bei Räumtemperatuz' nicht oder nur sehr schwer ziehen lassen, so daß sehr wohl unter Makroschalleinwirkung bei Raumtemperatur gezogen werden kann, und man erspart sich auch die bei verschiedenen Werkstoffen, z.B. hochlegierten Stahldrähten notwendigen chemischen Vor- und Ilachbehandlungen, die teils zum Schutz des Werkstoffes vor dessen thermischer Behandlung notwendig sind bzw. die dann bei den konventionellen Verfahren aufgebracht werden müssen, wenn

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ansonsten das Schmiermittel am Werkstoff nicht anhaftet, sobald der Draht durch die Ziehdüse gezogen wird. Das Makroschallverfahren bringt also neben einer Produktivitätssteigerung auch
noch Einsparungen mit sich, indem das Aufheizen und die anfällige chemische Vor- und Nachbehandlung (z.B. das "Bondern") gegenüber konventionellen Verfahren entfallen kann.

Die vorstehenden Ausführungen beziehen sich im Sinne der
oben angeführten Beschränkung durch die Schallschnelle auf Verformungsgeschwindigkeiten, die unter einigen Metern pro Sekunde iliegen. Mit zunehmender Verformungsgeschwindigkeit, wenn man
also größenordnungsmäßig gleich groß der Schallschnelle oder
noch schneller verformt, dann nimmt der eingangs erwähnte Effekt von Makroschall auf die Metallplastizität zusehends ab bis er schließlich bei gehr hohen Geschwindigkeiten gänzlich verschwindet. Das Prinzip der zitierten Verfahren und Vorrichtungen sei
an Hand der Fig. 1 erläutert: Der Ziehstein 1 ist senkrecht zur Längsachse des Drahtes angeordnet und damit in oder mehr oder
weniger geneigt zur Längsachse eingebaut, die dem System Konverter 3 (Ijltraschallumformer) und dem die Ultraschallwellen verstärkenden Horn 4 zukommt (vgl. US-PS 3.212 312 und US-PS 2 638 207). Bei diesen und ähnlichen bisher bekannt gewordenen Ultraschallverfahren läuft der zu verforinende Draht 2 entlang der Längsachse des gesamten akustischen Systems hindurch. Selbst bei gedrungener Bauweise sind solche für Frequenzen von etwa 20 - 30 kHz ausgelegte Bauelemente 25 - 50 cm lang, was in der Wellenlänge
Λ = c/u des üblicherweise angeordneten Ultraschallfeldes begründet ist. Weil überdies das notwendige Schmiermittel den Kanal in der Längsachse des akustischen Systems, durch welchen der Draht hindurchgezogen wird, allmählich verstopfen kann, wird das in
seiner natürlichen Frequenz zum freien Schwingen angeregte System gedämpft und damit die Güte des schwingenden Systems herabgesetzt, was zu einer Vergeudung von Ultraschallenergie führt. (Es wird
nämlich die Resonanzkurve des schwingenden Systems verflacht und damit der Wirkungsgrad des Systems herabgesetzt.) Überdies kann das Schmiermittel im Inneren des Konverters 3 zu Kurzschluß zwischen den Elektroden und damit zu Betriebsausfällen führen.

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