Technisches Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf den Bereich der mechanischen
Metallbearbeitung und betrifft insbesondere ein Verfahren zur
Herstellung von langen Rohlingen aus Rohbiöcken und kontinuierlich
gegossenen Strängen.
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Zur Anwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird ein
Rohling in einen Spannkopf von mindestens einem Manipulator
eingesetzt und mit mindestens zwei Paaren von einander
gegenüberliegend angeordneten Seiten gesenkgeschmiedet, wobei in diesem
Verfahrensschritt Kräfte zur normalen linearen Reduktion
eingesetzt werden, die von den besagten Paaren von Seitenflächen
erzeugt werden und wobei zur selben Zeit eine Scherkraft auftritt.
Danach wird der Rohling entlang seiner longitudinalen Achse
bewegt, wobei er vor der indizierten Bewegung um seine
longitudinale Achse rotiert wird, wonach der gesamte Verfahrensschritt
der Behandlung des Rohlings wiederholt wird, bis die
vorgegebenen geometrischen Dimensionen des Barren erhalten werden.
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Dieses Verfahren kann im Maschinenbau und in der Metallurgie
eingesetzt werden zur Herstellung von langen Produkten wie
Stäben, Säulen, Wellen und anderen Elementen, zur Herstellung von
vorgeschmiedeten Zwischenprodukten aus speziellen rostfreien,
wärmebeständigen und gehärteten Legierungen, um später
mechanisch in Stäbe gearbeitet zu werden, zum Vorschmieden von langen
Werkstücken aus den oben erwähnten Legierungen zur nachfolgenden
mechanischen Unterteilung in gleichförmige Teile und zum
Schmieden
von in konventioneller Weise gegossenen Barren und
kontinuierlich gegossenen Strängen in deformierte.
Stand der Technik
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Es ist ein Verfahren zum Radialschmieden von Barren und
kontinuierlich gegossenen Strängen mit der Hilfe einer radialen
Schmiedemaschine bekannt (siehe z.B. die Werbebroschüre der Firma
"SMS" hinsichtlich einer "Radial forging machine. Advanced
extrusion and forging technology". P'/327. SMS Hasenklever,
3000/4/90 Sch.). Bei diesem Verfahren wird der Rohling zuerst
aufgeheizt, dann in den Spannkopf des Manipulators eingesetzt
und danach in den Zwischenraum der Schmiedewerkzeuge eingeführt,
wobei er gleichzeitig rotiert wird, um runde Querschnitte zu
schmieden, wohingegen ohne Rotation rechteckige oder
quadratische Querschnitte beim Schmieden erhalten werden. Der Rohling
wird am selben Ort entlang seiner Länge im Arbeitsbereich
gesenkgeschmiedet, wobei dies durch jedes Paar von
Schmiedewerkzeugen geschieht, die radial in einer Ebene zur Achse des
Rohlings bewegt werden. Während den Intervallen zwischen dem
Gesenkschmieden, wenn die Schmiedewerkzeuge ihren Rückweg
durchlaufen, wird der Rohling in axialer Richtung bewegt, wenn
quadratische oder rechteckige Querschnitte des Schmiedestückes
erhalten werden sollen, oder der Rohling wird um seine
longitudinale Achse gedreht und in Längsrichtung bewegt, wenn runde
Querschnitte der Schmiedestücke erhalten werden sollen. Die
obenerwähnten Kreisläufe werden wieder und wieder wiederholt, um den
Rohling auf die gewünschten Grössen zu reduzieren. Das
betrachtete Schmiedeverfahren macht es möglich, die Deformation von
gegossenen Metallstrukturen hauptsächlich in der axialen Zone des
Schmiedens zu erhalten.
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Wenn diese oben bekannte Verfahrensweise des Radialschmiedens
eingesetzt wird, treten vereinzelt Öffnungen von Aushöhlungen
durch Schrumpfen in Barren oder kontinuierlich gegossenen
Strängen in deren axialen Zonen bei dem Schritt des Gesenkschmiedens
auf. Die Flächenreduktion beträgt 5:1, was zu der Notwendigkeit
führt, dass der ursprüngliche Strang mit einem Querschnitt
ausgestattet ist, der fünfmal grösser ist als die
Querschnittsfläche des geschmiedeten Stückes.
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In Übereinstimmung mit einem anderen Verfahren zum Schmieden von
Barren und kontinuierlich gegossenen Strängen mit Hilfe einer
radial arbeiteten Gesenkschmiede, (siehe z.B. eine
Werbebroschüre der Firma "Danieli" "New forging installations with Danieli
hydraulic forging machines", vom 15. Oktober 1987 AD/f6) wird
der ursprünglich in konventioneller Weise gegossene Barren oder
kontinuierlich gegossene Strang aufgeheizt, dann wird dieser in
den Spannkopf des Manipulators eingeführt und danach in den
Zwischenraum zwischen die Schmiedewerkzeuge eingespeist, wobei er
gleichzeitig rotiert wird, um Schmiedestücke mit rundem
Querschnitt zu erzeugen, wohingegen ohne Rotation quadratische oder
rechteckige Querschnitte des Schmiedestücks erhalten werden. Der
Arbeitszwischenraum wird von vier Schmiedewerkzeugen gebildet.
Die Schmiedewerkzeuge bewegen sich radial in einer Ebene auf die
jeweils andere Achse des Strangs. Die Schmiedewerkzeuge bewegen
sich in derselben tangentialen Richtung. Die erwähnten
Schmiedewerkzeuge gesenkschmieden den Rohling gleichzeitig an einem Ort
seiner Länge. Während den Intervallen zwischen dem
Gesenkschmieden, wenn die Schmiedewerkzeuge ihren Rückweg durchlaufen, wird
der Rohling um seine Longitudinalachse rotiert und in
Längsrichtung bewegt, wenn Schmiedestücke mit rundem Querschnitt erhalten
werden sollen, oder lediglich in Längsrichtung bewegt, wenn
Schmiedestücke mit quadratischer oder rechteckigem Querschnitt
erhalten werden sollen. Die obenerwähnten Verfahrensschritte
werden wieder und wieder wiederholt, wobei der Rohling
längsweise zu den erwünschten Grössendimensionen reduziert wird. Die
betrachtete Schmiedemethode macht es möglich, ein Schmiedestück
mit einer dichten metallischen Makrostruktur in seiner axialen
Zone zu erhalten und die Deformation der gegossenen
Metallstruktur hauptsächlich im Oberflächenbereich zu erhalten.
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Wenn dieses oben beschriebene Schmiedeverfahren eingesetzt wird,
beträgt das Schmiedeverhältnis 3:1, was zu der Notwendigkeit
führt, dass der ursprüngliche Rohling eine Querschnittsfläche
aufweist, die dreimal grösser ist als die Querschnittsfläche des
Schmiedestückes.
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In der SU-A-393 018 wird ein Verfahren zum linearen Reduzieren
eines Rohlings an zwei aufeinanderfolgenden Abschnitten
beschrieben, wobei dies durch die Anwendung von Scherkräften in
gegenüberliegenden Richtungen geschieht. Die Scherkräfte werden
nur auf den Abschnitt zwischen den beiden Teilen eines Bereichs
der Deformation und nur in einer transversal verlaufenden Ebene
angewandt.
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Die US-A-4,300,378 beschreibt ein Verfahren zur Vereinfachung
der Deformation eines Rohlings durch das Reduzieren des axialen
longitudinalen Drucks. Ein rotierendes Werkzeugteil wird
eingesetzt, um Scherkräfte zu erzeugen.
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Daher bietet keines der bekannten Radialschmiedeverfahren die
Möglichkeit, eine dichte Metallmakrostruktur sowohl in der
Oberfläche als auch in den axialen Bereichen bei einem
Schmiedeverhältnis von weniger als 3:1 zu erhalten.
Beschreibung der Erfindung
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die
Aufgabe zugrunde, ein neues Verfahren zum Radialschmieden eines
Rohlings anzugeben, welches es möglich macht, geschmiedete
Produkte zu erhalten, die eine dichte Metallmakrostruktur in ihren
axialen Bereichen und zur selben Zeit mit einer gleichförmig
deformierten Metallstruktur sowohl in der Oberfläche als auch in
den axialen Bereichen mit einem Schmiedeverhältnis von weniger
als 3:1 zu erhalten.
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Dieses Ziel wird dadurch erreicht, dass die Scherkräfte
gleichzeitig an mindestens zwei aufeinanderfolgenden Abschnitten (A)
und (B) durch das Mittel der linearen Reduktion des Rohlings
durch zwei Paare von Seitenflächen erzeugt werden, die eine
Seitenbewegung in gegenüberliegenden Richtungen über Kreisbögen
durchführen, deren Mittelpunkte auf der longitudinalen Achse des
Rohlings liegen. Während der Durchführung der Bewegung der zwei
Paare von Seitenflächen wird eine Scherkraft zusätzlich erzeugt
durch das Rotieren des Rohlings um seine longitudinale Achse
durch das Mittel des Spannkopfes (2) von mindestens einem
Manipulator. Die besagte Scherkraft weist die gleiche Grösse auf wie
die Kraft (P) der normalen linearen Reduktion auf die
Seitenflächen und fällt mit der Richtung der Scherkraft auf den
benachbarten Abschnitt zusammen.
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Dies gibt dem Verfahren die Möglichkeit, eine dichtere
Metallstruktur in der axialen Zone des Schmiedens zu erhalten. Dies
schafft ebenfalls die gleichförmige Verformung der gegossenen
Metallstruktur sowohl in der Oberfläche als auch in den axialen
Bereichen des Schmiedens.
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Diese Technik gestattet es, die Deformation des Rohlings über
den grösseren Abschnitt seiner Länge über den Abschnitt der
direkt beeinflussten gesenkgeschmiedeten Zone zu erhalten.
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Vorzugsweise wird die Scherkraft, die von dem Spannkopf des
Manipulators erzeugt wird, ungefähr in der Grösse zur normalen
Kraft des Gesenkschmiedens eingestellt, die von jedem Paar von
Schmiedewerkzeugen erzeugt wird.
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Dies weist den Vorteil auf, dass die Deformation des Rohlings in
dem Abschnitt gewährleistet wird, der ausserhalb der
Gesenkschmiedezone liegt und vergleichbar ist zur Deformation des
Rohlings an dem Ort, der in der Gesenkschmiedezone liegt.
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Es ist vorteilhaft, diesen Schritt mit dem Wechsel der
Rotationsrichtung des Spannkopfes zu verknüpfen.
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Diese Technik gestattet es, das Verdrehen der Metallfasern des
Schmiedestückes, die in derselben Richtung liegen oder in
verschiedenen Richtungen liegen, über die Länge des Schmiedestückes
zu erhalten, wobei der Fall der Orientation der Fasern parallel
zur Schmiedeachse umfasst wird.
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Es ist möglich, den Rohling zuerst mit einem Paar von
Schmiedewerkzeugen gesenkzuschmieden, wobei die Scherkräfte in einer
Richtung angewandt werden und anschliessend mit dem anderen Paar
gesenkzuschmieden, wobei die Scherkräfte in der
entgegengesetzten Richtung angewandt werden.
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Dies gibt die Möglichkeit, die Deformation der gegossenen
Metallstruktur in der axialen Zone des Schmiedens zu verbessern.
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Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel in Übereinstimmung mit
der Erfindung beschrieben, wobei die Realisierung des neu
vorgeschlagenen Verfahrens des Radialschmiedens eines Rohlings mit
einer begleitenden schematischen axonometrischen Skizze
dargestellt wird, die einen Gesamtanblick eines zylindrischen
Rohlings zeigt, der zwischen den Spannköpfen von Manipulatoren
angeordnet ist und von zwei Paaren von gegenüberliegend
angeordneten Schmiedewerkzeugen gesenkgeschmiedet wird.
Bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
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Das Verfahren zum Radialschmieden eines Rohlings, welches
patentiert ist, wird in der folgenden Weise durchgeführt. Der
ursprungliche Rohling 1 (siehe Zeichnung), z.B. ein Barren oder
ein kontinuierlich gegossener Strang von beispielsweise rundem
Querschnitt, wird in einem Spannkopf 2 eines Manipulators
eingesetzt
und dann in den Arbeitsbereich zwischen zwei Sätzen von
Schmiedewerkzeugen 3, 4 und 5, 6 eingeführt, wobei jeder Satz
aus zwei Paaren von einander gegenüberliegend angeordneten
Schmiedewerkzeugen besteht. Der Rohling 1 wird von einem ersten
Paar 3 und einem zweiten Paar 4 von Schmiedewerkzeugen an dem
Abschnitt A gesenkgeschmiedet, wobei zusätzlich zu der normalen
Schmiedekraft P, die von den besagten Paaren 3 und 4 erzeugt
wird, zur selben Zeit die Scherkraft T angewandt wird. Der
Rohling wird gleichzeitig durch ein drittes Paar 5 und ein viertes
Paar 6 von Schmiedewerkzeugen an der Position B geschmiedet, die
weiter entfernt entlang der Achse 00 des Rohlings liegen, wobei
eine Scherkraft T' in der entgegengesetzten Richtung angewandt
wird. Aber die Anzahl von solchen Schmiedewerkzeugpaaren kann
grösser sein. Zum besseren Verständnis sind nur vier Paare von
Schmiedewerkzeugen in der Skizze dargestellt. Im Verfahren des
Gesenkschmiedens des Rohlings 1 in den Abschnitten A und B
erscheinen normale Kompressionsdrücke und -züge im axialen Bereich
und gleichzeitig eine Scherdeformation in dem
Oberflächenbereich. Zur selben Zeit als Ergebnis der Anwendung der
entgegengerichteten Scherkräfte T und T' im benachbarten Abschnitt A und
B des Rohlings 1 tritt eine grosse Scherbelastung zwischen
diesen beiden Abschnitten auf, die sich über den gesamten
Querschnitt des Rohlings 1 erstreckt. Wenn die Schmiedewerkzeuge
3, 4 und 5, 6 ihren Rückweg in der Pfeilrichtung F und F'
durchlaufen, wird der Rohling 1 entlang der longitudinalen Achse 00
in der Richtung des Pfeiles K bewegt.
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Wenn die Schmiedewerkzeuge 3, 4 und 5, 6 ihren Rückweg in der
Richtung des Pfeiles F und F' durchführen, kann der Rohling 1 um
seine longitudinale Achse 00 in der Richtung des Pfeiles G
gedreht und entlang derselben longitudinalen Achse 00 in der
Richtung des Pfeiles K bewegt werden, wobei ein Gesenkschmieden des
Rohlings 1 in der oben beschriebenen Weise aufrechterhalten
wird, um die erforderlichen geometrischen Abmessungen des
Schmiedestückes zu erhalten.
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Die Scherkräfte können erhalten werden, indem der Rohling 1 mit
Paaren von Schmiedewerkzeugen 3, 5 und 4, 6 gesenkgeschmiedet
wird, wobei diese in einem eigenen Bogen C und C' bewegt werden,
deren Kreisbogenzentrum auf der longitudinalen Achse 00 des
Rohlings 1 liegt, während ein Paar von Schmiedewerkzeugen 3 oder 4
in einem Bogen des Umkreises in der einen Richtung und das
andere Paar 5 oder 6 im Bogen C' auf dem Umkreis in der anderen
Richtung bewegt werden. Solch ein Verfahren zur Erzeugung von
Scherkräften führt dazu, dass eine zusätzliche
Makroscherbelastung im Rohling 1 erzeugt wird, während dieser zwischen den
Abschnitten A und B gesenkgeschmiedet wird. Die
Makroscherbelastung führt zu einem beträchtlichen Effekt der Verformung auf
die gegossene Metallstruktur bei geringen Schmiedeverhältnissen
von ungefähr weniger als 2:1.
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Es ist möglich, die Scherkraft T zu erzeugen, indem mindestens
ein Abschnitt des Rohlings 1 gedreht wird, d.h. ausserhalb der
Gesenkschmiedezone A der Schmiedewerkzeuge 3 und 4 um die
longitudinale Achse 00 des Rohlings mit der Hilfe des Spannkopfes 2
des Manipulators. Wenn der oben erwähnte Abschnitt des
Rohlings 1 gedreht wird, erscheint eine Torsionsbelastung in diesem
Abschnitt, die in effektiver Weise auf die gegossene
Metallstruktur einwirkt und das Verdrehen der
Metallmakrostrukturfasern erzeugt. Falls es notwendig ist, den Abschnitt des
Rohlings 1 zu verdrehen, d.h. zwischen den Teilen A und B, kann die
erwähnte Betriebsart mit der Hilfe des Spannkopfes 2 zu dem
Zeitpunkt durchgeführt werden, wenn die Paare von
Schmiedewerkzeugen 3, 4 ihren Rückweg in der Richtung des Pfeiles F
durchlaufen oder mit der Hilfe des Spannkopfes zu einem anderen
Zeitpunkt, wenn die anderen Paare der Schmiedewerkzeuge 5, 6 ihren
Rückweg in der Richtung des Pfeiles F' durchlaufen.
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Es ist vorteilhaft, die Scherkraft T, die von dem Spannkopf 2
des Manipulators erzeugt wird, ungefähr gleich gross in der Grö
ssenordnung mit der normalen Schmiedekraft P einzustellen, die
von den Schmiedewerkzeugen 3 und 4 erzeugt wird. In diesem Fall
erscheinen Torsionsbelastungen im Rohling, die ungefähr genauso
gross sind wie die Belastungen, die vom normalen Schmieden mit
dem obenerwähnten Paar von Schmiedewerkzeugen 3, 4 und 5, 6
erzeugt werden. Diese Torsionsbelastungen treten bei einem im
wesentlichen unveränderten Bereich des Querschnitts des Rohlings
auf, was es möglich macht, dass die Deformation der
Metallstruktur mit einem geringeren Schmiedeverhältnis durchführbar ist,
welches ungefähr weniger als 2:1 beträgt.
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Es ist möglich, dass das Drehen des Rohlings 1, welches von dem
Spannkopf 2 des Manipulators durchgeführt wird, mit einem
Wechsel der Rotationsrichtung des Spannkopfes 2 durchzuführen, der
dem Pfeil G' folgt. Der angezeigte Wechsel der Rotationsrichtung
des Spannkopfes 2 oder 7 macht es möglich, eine
Torsionsbelastung des Rohlings 1 in der gegenüberliegenden Richtung zu
erzeugen und so die Verdrehrichtung der Fasern der
Metallmakrostruktur in der entgegengesetzt liegenden Richtung zu
erzeugen, d.h. dem Pfeil G' folgend. Solch eine Technik gestattet es,
die Anordnung der Fasern in der Länge des Rohlings zu steuern
und die schlussendliche Ausrichtung der Metallfasern in einem
Produkt festzulegen, die mit der Wirkung der inneren Spannungen
während der Herstellung des Produktes übereinstimmen. Wie es
bereits bekannt ist, können besagte innere Spannungen in
verschiedenen Richtungen in der Länge eines geschmiedeten Produktes
wirken.
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Gemäss dem patentierten Verfahren ist es möglich, zuerst den
Rohling 1 mit der Hilfe eines Paares von Schmiedewerkzeugen 3
oder 4 unter Anwendung einer Scherkraft T in einer Richtung und
dann mit der Hilfe eines Paares von Schmiedewerkzeugen 5 und 6
und der Anwendung einer Scherkraft T' in der entgegengesetzten
Richtung gesenkzuschmieden. Diese Technik der Anwendung von
Scherkräften T und T' in einander entgegengesetzten Richtungen
gibt die Möglichkeit, kumulative Makroscherbelastungen in
verschiedenen Richtungen zu erhalten und so in wirksamer Weise auf
die Deformation der gegossenen Metallstruktur einzuwirken, ohne
einen Wechsel des Querschnittsflächenbereiches zu bewirken, der
nach dem Gesenkschmieden des Rohlings erhalten worden ist, d.h.
mit einem minimalen Schmiedeverhältnis von weniger als 2:1.
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Falls zwei Manipulatoren vorhanden sind, ist es möglich, den
Rohling in dem Spannkopf 7 des zweiten Manipulators einzusetzen
und alle obengenannten Schritte mit dem Rohling 1 durchzuführen,
was es möglich macht, den Produktionsausstoss zu erhöhen. Zur
selben Zeit ermöglicht die Realisation aller obengenannten
Verfahrensschritte auf dem Rohling 1 mit der Hilfe des
Spannkopfes 7 des zweiten Manipulators, dass eine Kontrolle über die
Faseranordnung und die Fasermuster in der Metallstruktur erreicht
wird und die Anisotropie der mechanischen Eigenschaften
steuerbar ist.
Beispiel
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Ein zylindrischer Barren aus reinem Aluminium mit einem
Durchmesser von 76 mm ist in einem Spannkopf eines Manipulators zum
Radialschmieden eingesetzt worden und mit der Hilfe von zwei
Paaren von Schmiedewerkzeugen gleichzeitig an zwei Abschnitten
des Barrens gesenkgeschmiedet worden, jeder Abschnitt war 40 mm
lang und hintereinander entlang der longitudinalen Achse des
Barrens angeordnet. Die Scherkraft von jedem Paar von einander
gegenüberliegend angeordneten Schmiedewerkzeugen wurde auf dem
Barren in jedem Abschnitt in einander entgegengesetzt liegenden
Richtungen angewandt. In den Intervallen zwischen dem
Gesenkschmieden wurde der Barren um seine longitudinale Achse rotiert
und entlang dieser Achse bewegt. Der gesamte Betriebszyklus
wurde wiederholt, um den Durchmessers des Barrens auf 56 mm zu
reduzieren. Damit betrug das Schmiedeverhältnis ungefähr 2:1. Die
Analyse der metallischen Makrostruktur ergab eine gleichförmige
und dichte Struktur über den gesamten Querschnittsflächenbereich
des Schmiedens mit um ungefähr 360º verdrehten Fasern.
Industrielle Anwendbarkeit
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Das Verfahren zum Radialschmieden eines Rohlings gestattet es,
eine gleichförmige und dichte Metallstruktur über den gesamten
Querschnittsflächenbereich mit einem unwesentlichen
Schmiedeverhältnis von ungefähr 2:1 zu erhalten.
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Die Anwendung des beanspruchten Verfahrens des Radialschmiedens
eines Rohlings gestattet eine wesentliche Verbesserung des
Ausstosses in der Gesenkschmiedeproduktion, eine erhebliche
Verminderung im Energieverbrauch und der Benutzung von Rohlingen mit
ursprünglich kleineren Querschnittflächen.
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Es ist leicht erkennbar, dass der Einsatz von Rohlingen von
kleineren Querschnitten gemäss dem vorliegenden Verfahren zum
Radialschrnieden von Rohlingen erhebliche Kosteneinsparungen mit
sich bringt, die den Einsatz von Rohlingen grosser Durchmesser
entbehrlich machen.
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Über die Erhöhung des Produktionsausstosses beim Gesenkschmieden
macht es das beanspruchte Verfahren möglich, eine hoch
qualitative Deformation der Metallstruktur zu erhalten. Im Ergebnis
erhält man sich eine wesentliche Verbesserung der mechanischen
Eigenschaften des Metalls, was nicht möglich wäre, bei dem Einsatz
der anderen bekannten Methoden zum Radialschmieden eines
Rohlings mit einem geringen Schmiedeverhältnis von ungefähr 2:1.