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Verfahren zur abfallösen Herstellung von kreisringförmigen Metallscheiben
Es ist schon vorgeschlagen worden, zur möglichst abfallosen Herstellung von vollkreisförmigen
Blechscheiben, insbesondere für Kraftwagenräder, ein dickeres kreisförmiges Ausgangswerkstück
von kleinerem Durchmesser zwischen zylindrischen Walzen nacheinander in verschiedenen
Richtungen über Zwischenformen mit abwechselnd elliptischen und kreisförmigen Umfangslinien
unter Beibehaltung derselben verhältnismäßigen Verdünnung bei jedem Walzstich bis
zur Erzielung einer kreisförmigen Scheibe mit den gewollten Abmessungen auszuwalzen.-
Hierbei ist die Beibehaltung derselben verhältnismäßigen Verdünnung bei jedem Walzstich
dahin zu verstehen, daß beim jeweiligen Übergang der Ellipsenform in die Kreisform
dieselbe verhältnismäßige Verdünnung vorgenommen wird, die beim vorangegangenen
Übergang aus der Kreisform in die Ellipsenform in Anwendung kam. Wenn es sich darum
handelt, eine Kreisringscheibe herzustellen, muß man bei Benutzung des angegebenen
Verfahrens aus der erzielten Vollscheibe eine mittlere Kreisscheibe von dem gewollten
inneren Durchmesser der Ringscheibe herausschneiden oder auf andere Weise abtrennen,
was wiederum Abfall und,weiteren Arbeitsaufwand bedeutet.
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Der Erfindung gemäß wird die Notwendigkeit der Abtrennung einer mittleren
Kreisscheibe bei der Herstellung einer Kreisringscheibe dadurch vermieden, daß das
angegebene Verfahren in Anwendung kommt, aber von einem ringförmigen Werkstück ausgegangen
wird. Überraschenderweise läßt sich hierdurch eine größere Ringscheibe von genauer
Kreisform erzielen, obwohl man zunächst vermuten müßte, daß, da der innere freie
Raum des ringförmigen Werkstücks dem Walzvorgang nicht unterliegt, Störungen bei
der Umwandlnug in den nacheinander folgenden Stufen des Auswalzens entstehen
würden.
Es hat sich indessen gezeigt, daß sowohl der äußere als auch der innere Umfang des
Ringes von der Kreisform in die Ellipsenform und wieder zurück in die Kreisform
übergeht, wobei aber der Irinendurchmesset nicht in demselben Verhältnis wie der
Außendurchmesser zunimmt. Hierauf ist also bei der Bemessung des ringförmigen Ausgangswerkstücks
Rücksicht zu nehmen, und zwar kann man, nötigenfalls an Hand vorangegangener Versuche,
für die jeweils gewollten Abmessungen der fertigen Ringscheiben die entsprechenden
Abmessungen des Ausgangswerkstücks feststellen.
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Daß die Anwendung des bekannten Verfahrens zur Herstellung von Kreisringscheiben
unter Verwendung eines kreisringförmigen Ausgangswerkstücks nicht nahelag, soll
noch ausführlicher dargelegt werden. Zunächst sei an Hand der Fig. i und i a bis
i d das Verfahren unter der Annahme, daß ein Triowalzwerk benutzt wird, erläutert.
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Das `Werkstück ist in Fig. i überall im Querschnitt gezeichnet, während
in den Fig. i a bis i d das Werkstück in der Aufsicht wiedergegeben ist. Die als
Ausgangswerkstück dienende kreisringförmige Scheibe l von kleinem Durchmesser und
im Verhältnis dazu großer Dicke wird im ersten Walzstich durch den Walzschlitz
x zwischen den Walzen c und d hindurchgeschickt. Hierdurch wird die
Kreisringscheibe um einen dem Verhältnis zwischen der Dicke des Werkstücks
l und dem Walzschlitz x entsprechenden Grad verdünnt und so gestreckt,
daß der Ring z mit elliptischem Außenumfang und elliptischem®Innenumfang entsteht.
Diese Scheibe 2 wird nun um go ° gedreht und durch den Walzschlitz y zu den Walzen
d und e geschickt, wobei das Verhältnis zwischen der Dicke des Werkstücks
2 und dem Walzschlitz y dasselbe wie beim vorigen Walzstich ist. Hierdurch wird
eine Ringscheibe 3 von genauer Kreisform erzielt, deren Außendurchmesser und deren
Innendurchmesser größer als beim Ausgangswerkstück sind. Die verhältnismäßige Zunahme
des Innendurchmessers ist aber kleiner als die verhältnismäßige Zunahme des Außendurchmessers,
der wiederum kleiner als der Durchmesser einer Vollkreisscheibe ist, die aus einem
gleich großen vollkreisförmigen Ausgangswerkstück durch dasselbe Auswalzen hergestellt
worden wäre.
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In den Fig. 2 und 3 ist in Oberansichten in größerem Maßstab die Umwandlung
eines kreisringförmigen Ausgangswerkstücks in eine größere und dünnere Kreisringscheibe
angedeutet.
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In Fig. 2 ist I das kreisringförmige Ausgangswerkstück und II das
im ersten Walzstich erzeugte Werkstück mit elliptischen Umfangslinien. In Fig. 3
ist III das letztere, jetzt um go ° gedrehte Werkstück und IV die im zweiten Walzstich
erzeugte kreisringförmige größere und dünnere Scheibe. Hierbei ist eine Streckung,
also eine Verdünnung von 25% in jedem MValzstich angenommen worden. Aus einem Vergleich
von I und IV ist zu entnehmen, daß der Außendurchmesser und der Innendurchmesser
bei IV größer als bei I ist, daß aber diese beiden Durchmesser nicht im selben Verhältnis
zugenommen haben. Verhältnismäßig ist die Zunahme des Innendurchmessers geringer
als diejenige des Außendurchmessers.
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Es werden so viele Walzstiche vorgesehen, als zur Erzielung der endgültigen
Abmessung erforderlich ist. Die verhältnismäßige Verdünnung bei der Rückwändlung
in die Kreisringform muß der jeweils vorangegangenen verhältnismäßigen Verdünnung
bei der Umwandlung in die Form mit Ellipsenumfangslinie entsprechen. Es können auch
zwei oder mehrere Walzstiche ohne Änderung der Walzrichtung, insbesondere ohne Drehung
des Werkstücks, vorgesehen werden, wenn daraufhin wieder eine der hierdurch erzielten
Gesamtverdünnung verhältnismäßig entsprechende Verdünnung des Werkstücks vorgenommen
wird.
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Wenn die Walzrichtung nicht um go °, sondern um einen anderen Winkel
geändert wird, so ist zweckmäßig ein Winkel zu nehmen, bei dessen Anwendung der
überhaupt denkbare kleinste Gesamtdrehwinkel ohne Bruchteil ein Vielfaches dieses
Winkels darstellt, wie es beispielsweise bei Winkeln von 45 ° und 30 ° der Fall
ist.
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Die Änderung der Walzrichtung könnte auch dadurch erzielt werden,
daß die einzelnen Walzgerüste in den entsprechenden Winkeln gegeneinander versetzt
angeordnet sind, wobei dann ein Drehen des Werkstücks beim Übergang von einem Walzenpaar
zum anderen Walzenpaar nicht erforderlich ist.
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Außer der abfallosen Herstellung ist auch noch der Vorteil zu erwähnen,
der dadurch herbeigeführt wird, daß die Walzen in der Nähe der Mitte des Werkstücks
nicht wie bei einer Vollscheibe weit stärker als im übrigen Teil der Scheibe beansprucht
werden, da sich in der Mitte der Scheibe ein Loch befindet. Dieser Vorteil besteht
darin, daß die Walzen beim Durchgang des Werkstücks nicht in ihrer Mitte mehr als
an den Seiten auseinandergebogen werden, so daß die Weite des Walzschlitzes, auf
die es bei der Beibehaltung derselben verhältnismäßigen Verdünnung ankommt, ohne
weitere Hilfsmittel gleichmäßig erhalten bleibt. Ferner wird auch die Herstellung
des Ausgangswerkstücks durch die Ringform erleichtert, wenn man das Ausgangswerkstück
durch Zerlegung eines hohlzylindrischen Stahlblocks in mehrere Scheiben erzeugt.
Durch den inneren Hohlraum werden bei der Arbeit des Schneidwerkzeuges Störungen
beseitigt, die bei dem Zerlegen eines Vollblocks immerhin vorkommen können.
Es
soll nun dargetan werden, warum es überraschen muß und also nicht nahelag, das bekannte
Verfahren von einer Vollkreisscheibe auf eine Kreisringscheibe zu übertragen.
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Die Umwandlung der Form des Werkstücks beruht zum weitaus größten
Teil auf einer Streckung; zum kleineren Teil aber auch auf einer Breitung. Daß bei
Einhaltung der gegebenen Bedingungen die Streckung eine Umwandlung von der Kreisform
in die Ellipsenform und wieder in die Kreisform ergibt, ist bei einer Vollscheibe
schon auf Grund der Anschauung leicht verständlich. In der Fig. q. ist eine derartige
reine Str eckung eines Werkstücks von Vollkreisform angedeutet, und zwar unter der
Annahme, daß zwei Walzstiche vorgesehen sind und in jedem eine Verdünnung um 5o
°/o entsteht. Das kreisrunde Werkstück z nimmt im ersten '%#@'alzstich die hllipsenform
2 an, worauf es um 9o° gedreht wird und im zweiten Walzstich die Form 3 erhält.
Kommt aber noch die Breitung hinzu, so wäre von vornherein nicht ohne weiteres anzunehmen
gewesen, daß die gewollte Wandlung vom Vollkreis über die Vollellipse wieder zum
Vollkreis sich mit praktischer Genauigkeit einstellt. Nimmt man - an, daß die Breitungstets
proportional den Längen der durch die zylindrischen Walzen erfaßten Sehnen des Werkstücks
ist, so ergibt sich die aus der zeichnerisch genauen Fig. 5 ersichtliche Wandlung,
und zwar unter der (übertriebenen) Annahme, daß die Breitung 2o°/, beträgt. Die
Form des Vollkreises und der Vollellipse bleibt also gesichert. In Wirklichkeit
ist jedoch die Breitung nicht genau proportional den erfaßten Sehnenlängen; sie
ist vielmehr verhältnismäßig bei größerer Sehnenlänge kleiner als bei kleineren
Sehnenlängen. Das Breitungsgesetz wirkt sich aber trotzdem so aus, daß diese Abweichung
von der vollständigen Proportionalität wiederum eine gewisse Proportionalität ergibt,
welche die Umwandlung vom Kreis über die Ellipse wieder zum Kreis nicht stört. Man
kann dies verstehen, wenn man sich vergegenwärtigt, daß innerhalb des Kreises und
der Ellipse die von Walzen erfaßten Sehnen ja auch stetig nach einem bestimmten
Gesetz zu- und abnehmen.
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Was nun an einem Kreisring im Gegensatz zu Einern Vollkreis vor sich
geht, läßt sich anschaulicher machen, wenn man ein Vollquadrat mit einem Rahmenquadrat
vergleicht. Die ermittelten Beziehungen lassen sich dann ohne weiteres für den Vergleich
zwischen einem Vollkreis und einem Kreisring verwerten.
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Auf Grund der Konstanz des Volumens läßt sich zunächst sofort formelmäßig
entwickeln, daß die reine Streckung eines vollquadratischen Werkstücks über die
Rechteckform wieder ein Quadrat ergibt. Dieser Formwandlung einer quadratischen
Vollscheibe entspricht ohne weiteres .auch die Formwandlung einer kreisförmigen
Vollscheibe unter der reinen Streckwirkung; wie dort wiederum ein Quadrat entsteht,
ergibt sich hier wiederum ein Kreis.
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Wie sich die Verhältnisse bei einem Rahmenquadrat unter reiner Streckwirkung
herausbilden, würde sich nur durch eine sehr umständliche Formelentwicklung ermitteln
lassen. Wenn man aber die Streckmaße, wie es in Fig. 6 geschehen ist, zeichnerisch
genau überträgt, so zeigt es sich, daß sich tatsächlich auch bei einem Rahmenquadrat,
was indessen auch nicht ohne weiteres zu erwarten war, die Wandlung bis zu einem
genauen größeren Rahmenquadrat ergibt, wobei auch das Maß des quadratischen Loches
im selben Verhältnis wie das Maß des quadratischen Umfangs gewachsen ist. In Fig.
7 ist die entsprechende Wandlung einer Kreisringscheibe dargestellt.
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Nimmt man aber die Breitung hinzu, so ändern sich die Verhältnisse
mit einem Schlage. In Fig.8 ist die Wandlung eines Rahmenquadrates unter der Annahme,
daß die Breitung 20°/o beträgt und den durch die Walzen erfaßten Linien des Werkstücks
proportional ist, zeichnerisch genau dargestellt. Beim Übergang von = zu 2 erweist
es sich, daß das Loch in der Mitte deshalb eine deutliche Störung in der Formwandlung
herbeiführt, weil durch die Breitung der Werkstoff auch in das Loch verdrängt wird,
so daß das Maß x nach außen und nach innen zunimmt, sowie daß außerdem die nicht
im Bereich des Loches liegenden Seitenteile verbreitert werden, so daß sie etwas.
überstehen. Beim Übergang von 2 zu 3 gilt dasselbe für das Maß y und die nicht im
Bereich des Loches liegenden Seitenteile, so daß zuletzt eine zwar der Grundform
nach innen und außen quadratische aber mit Auswüchsen behaftete größere und dünnere
Scheibe entsteht. Dementsprechend würde sich gemäß der Fig. 9 unter dem Einfluß
der Strekkung und der Breitung aus dem kreisringförmigen Ausgangswerkstück eine
größere und dünnere kreisringförmige Scheibe mit sehr störenden Auswüchsen am Umfang
ergeben. Das Loch in i der Mitte wird allerdings in jedem Fall wieder kreisförmig,
und der Durchmesser des Loches wächst nicht in demselben Maß wie der äußere Durchmesser
der Kreisringscheibe.
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Diese verminderte Zunahme des Loches ist darauf zurückzuführen, daß,
wie schon angedeutet wurde, die Breitung auch eine Verdrängung des Werkstoffs in
das Loch hinein bewirkt. Diese Erscheinung deutet schon darauf hin, daß bei einer
Ringscheibe die Verhältnisse i wesentlich anders als bei einer Vollscheibe liegen.
Die eigentlich zu erwartende Verunstaltung des äußeren Umfangs wäre aber eine so
bedenkliche Erscheinung, daß durch sie allein schon die Übertragung des Verfahrens
von einer Vollscheibe auf eine Kreisringscheibe als nicht nahehegend gelten kann.
Daß
in Wirklichkeit auch der Umfang der erwalzten Ringscheibe, praktisch genommen, einen
glatten Kreisverlauf hat, ist auf verschiedene Umstände zurückzuführen. Zunächst
ist eine Breitung von 2o°/a, die zur deutlicheren Veranschaulichung angenommen wurde,
praktisch zu hoch bemessen. Weiterhin äußern sich die Störungen auch theoretisch
in geringerem Maß, wenn das Loch in der Mitte der Scheibe kleiner ist. Vor allem
aber ist zu berücksichtigen, daß die Breitung, wie schon gesagt wurde, nicht genau
proportional den durch die Walzen erfaßten Sehnenlängen ist,- ferner daß das Breitungsmaß
auch von der Dicke des Werkstücks abhängt. Offenbar haben diese verschiedenen Umstände
in ihrer Zusammenwirkung die überraschende Folge, daß die eigentlich zu erwartenden
Unregelmäßigkeiten der Umfangslinie bis zu einem praktisch ausreichendem Maß unterdrückt
werden.
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Die nach der Erfindung erzeugten kreisringförmigen Stahlscheiben sind
für verschiedene Verwendungszwecke teils ohne, teils mit weiterer Verarbeitung,
geeignet. Das Beispiel der Anwendung als Scheiben für Kraftwagenräder wurde bereits
angedeutet. Bei dieser Anwendung können die Scheiben in ebener Form oder aber nach
Auswölbung benutzt werden. Nachstehend sei noch ein Beispiel aus der Praxis angeführt.
Als Ausgangswerkstück wurden Ringe von 22o mm Außendurchmesser, =32 mm Bohrung,
50 mm Stärke benutzt. Nach der Auswalzung in einer größeren Anzahl von Walzstichen
mit 22°(o jeweiliger Verdünnung ergaben sich folgende Abmessungen: Außendurchmesser
425 mm, Bohrung 207 mm, Stärke I2 mm.