EP0255635A2 - Verfahren und Vorrichtung zum Recken eines metallischen Werkstückes - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Recken eines metallischen Werkstückes Download PDF

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EP0255635A2
EP0255635A2 EP87110379A EP87110379A EP0255635A2 EP 0255635 A2 EP0255635 A2 EP 0255635A2 EP 87110379 A EP87110379 A EP 87110379A EP 87110379 A EP87110379 A EP 87110379A EP 0255635 A2 EP0255635 A2 EP 0255635A2
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EP
European Patent Office
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workpiece
forging
bite
stretching
saddle
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP87110379A
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English (en)
French (fr)
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EP0255635A3 (de
Inventor
Reiner Prof. Dr.-Ing. Kopp
Klaus-Rainer Dr.-Ing. Baldner
Ekhard Dipl.-Ing. Siemer
Paul-Josef Dipl.-Ing. Nieschwitz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SMS Hasenclever Maschinenfabrik GmbH
Original Assignee
SMS Hasenclever Maschinenfabrik GmbH
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Publication date
Application filed by SMS Hasenclever Maschinenfabrik GmbH filed Critical SMS Hasenclever Maschinenfabrik GmbH
Publication of EP0255635A2 publication Critical patent/EP0255635A2/de
Publication of EP0255635A3 publication Critical patent/EP0255635A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J5/00—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J13/00—Details of machines for forging, pressing, or hammering
    • B21J13/08—Accessories for handling work or tools
    • B21J13/10—Manipulators

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for stretching a metallic workpiece in a forging press, in particular in an open-die forging press, the workpiece between the upper saddle and the lower saddle of the forging press - viewed in the direction of stretching or in the longitudinal direction of the workpiece - in each case by one bite is displaced or shifted and possibly rotated about the longitudinal axis.
  • the oldest method for shaping and stretching metallic workpieces is open-die forging, which is characterized by a number of advantages.
  • One of these advantages of open-die forging can be seen in the great flexibility, since with relatively simple forging tools, diverse product shapes of various sizes can be produced very precisely from metallic workpieces.
  • With the correct choice of the forming parameters in connection with a suitable heat treatment of the workpiece significant improvements in the material properties caused by the casting process can also be achieved.
  • An important requirement for the quality of a forged product is a consistently good forging of the workpiece core around blowholes and Eliminate other quality-reducing inclusions in the workpiece. In previous practice, a workpiece is first forged or deformed and only then checked for freedom from defects.
  • the forging must be rejected as a reject, which is associated with high material and energy costs is.
  • the near-surface zones of the workpiece have a higher yield stress than the zones below when deformed or stretched due to the heat given off to the forging press tool and the surroundings.
  • the near-surface zones of the workpiece counteract plastic deformation much more than the inner zones due to their increased yield stress, which can very easily lead to cracking on the surface and near-surface zones of the finished forged workpiece.
  • Fig. 3 of this Document shows that the outer edges of the upper and lower saddle are moved exactly over the respective previous bite edges or bite edges, where at these points where the edges of the forging tools meet the bite edges of the respective previous bite when the workpiece is stretched sensitive and / or high-alloy materials, cracks can easily occur due to the high stress and strain state.
  • the object of the invention is therefore to provide a method and a device for stretching a metallic workpiece in a forging press, whereby not only cracks and tears in the zones near the surface on the workpiece are avoided in a simple manner, but also a particularly good and uniform Forging the workpiece is reached, in particular also the workpiece core.
  • the object is achieved with the invention in that the workpiece is only displaced or displaced in the workpiece stretching direction before the respective stretching or the bite between the upper saddle and the lower saddle of the forging press, including the elongation of the workpiece measured during the deformation, that the bite edge of the previous bite comes to rest on the workpiece within the saddle edges.
  • This measure very advantageously achieves a so-called over-beating of the previous bite width and thus of the previous bite edge.
  • This overlapping of the respective previous bite edge prevents cracks or even breaks in the areas of the bite edges or on the entire workpiece.
  • the workpiece is stretched between the The upper saddle and the lower saddle are each offset or shifted in the workpiece stretching direction so far that the bite edge of the previous bite comes to lie approximately in the middle between the saddle edges.
  • the bite edge reaches the saddle edges after the workpiece has been displaced four times in the direction of stretching and thereby undergoes four times overmolding, the workpiece bite width (b) preferably being approximately 25% of the tool surface bite width (B).
  • the forging process takes place by means of a fully automatic forging process control with process computer, which uses an adaptive model of the forging process to control the control values (setpoints) required for controlling the forging press. calculated for each overmold of the workpiece, the model of the forging process being corrected (online) using the actual values obtained via the measured value acquisition, in particular the workpiece stretching for each overmold, via a parameter adaptation during the forging process.
  • a fully automatic forging process control with process computer enables the forging process during the production of the workpiece to be continuously and precisely monitored with regard to the forging effect, in particular with regard to the effect of each individual bite. In this way, the forming parameters that affect the quality or quality of the forging can be recorded during the forging process with practically no time delay and the necessary forging parameters can be derived from this in order to guarantee the required workpiece properties at the end of the forging.
  • the object is achieved in that a fully automatic forging process control with process computer is provided, as well as a degree of stretching gauge for the exact measurement of the stretching or elongation of the workpiece in the stretching direction during the deformation.
  • the continuous measurement is carried out in a particularly reliable manner and is not susceptible to faults by means of a mechanical-electrical degree of stretching gauge which is connected to a measuring cable which is detachably attached to the free end of the workpiece.
  • the degree of stretching can also be designed as a contactless measuring system, preferably optoelectronic.
  • Non-contact optical measurement process which rely on modern optoelectronic semiconductor components, work advantageously without wear and with extremely short measuring times.
  • a device for carrying out the method according to the invention consists of a manipulator (1) with pliers carrier (2) which can be displaced in the longitudinal axis direction (arrow 3) and about the longitudinal axis in a forging press, not shown in the drawing, in particular open-die forging press is rotatably arranged (arrow 4).
  • a workpiece (5) which is arranged between the upper saddle (6) and the lower saddle (7) of the forging press so that the bite edge (8) of the previous bite is within the saddle edges (9, 10) and (11, 12) comes to rest.
  • the workpiece (5) is detachably connected via a measuring cable (14) for determining the degree of stretch to the cable spool (15) of a degree of stretching knife (16), which consists of a height-adjustable stand (17) with a drive motor (18 ) as a rotary encoder and a torque controller (19) for keeping the torque constant.
  • the respective degree of stretching can be very advantageously, based on the respective The changed length of the measuring cable (14) before and after the workpiece is forged over and detected using the manipulator (1) to control the bite offset. It is essential here to maintain a constant tension of the measuring cable (14), which is achieved with the aid of the torque regulator (19) and the cable spool (15) connected to it.
  • the drive motor (18) designed as a rotary encoder is used to measure the length of the measuring cable.
  • the bite edge (8) of the workpiece (5) is in the position shown in FIG.
  • the workpiece (5) shown in FIG. 1 is the production of a metal rod with a rectangular cross section. It is therefore understandable that the still unformed workpiece (5) must be subjected to a double stretching or deformation by the saddle tools (6) and (7) of the forging press before each offset by the bite width (b), the workpiece being manipulated by the manipulator ( 1) is rotated 90 degrees around the longitudinal axis.
  • the production of flat or length-oriented forged products does not require the workpiece to be turned.
  • the workpiece (21) can also be displaced in the longitudinal direction of the workpiece before stretching between the upper saddle (6) and the lower saddle (7) of the forging press so that the bite edges (22) of the previous bite on the workpiece ( 21) come to rest approximately in the middle between the saddle edges (23, 24).
  • the bite width (b) on the workpiece (21) and thus the bite offset is thus 50% of the saddle bite width (B), which means that the bite edges (22) are positioned on the bite center of the previous overmold before every second overmold of the workpiece (21) .
  • the stretched bite width on the workpiece (21) after the previous overmold of the workpiece (21) is identified by (b ⁇ ).
  • a forging process control with a process computer is provided according to the invention.
  • the forging process in particular the forging and re-forging of the workpiece, takes place by means of a fully automatic forging process control with a process computer according to the block circuit diagram shown schematically in FIG.
  • the process computer uses an adaptive model of the forging process to calculate the control values (setpoints) required for the control of the forging press for each overmold, the model of the forging process being calculated using the measured value from the tool speed, the Pressing force, the top saddle position, the manipulator position, the workpiece data, the Material temperature, the material flow and the workpiece stretching actual values obtained are corrected via a parameter adaptation during the forging process sequence (on-line).
  • This fully automatic forging process control according to the invention is a known, in principle, metrological comparison between the actual value parameters and the predetermined or preprogrammed target value parameters, each deviation of the respective actual value from the predetermined target value being detected and a corresponding correction of the depending on the deviation from the target value Forging process sequence follows.
  • the exact detection of the workpiece degree of stretching with the help of the degree of stretching (see FIG. 1, number 16) and the inclusion of the degree of stretching as determined by the degree of stretching in the forging process control according to the invention is completely new and provides the measurement and measurement required for the optimization of the forging process Tax values.
  • the bite offset can in each case be optimally adjusted to the metallic workpiece to be deformed in the forging press, whereby a considerable improvement in the quality and quality of the respective forged end product is achieved in comparison with the previously known forging process controls
  • FIGS. 4 and 5 the results of practical stretching tests on two blocks (25, 26) made of carbon steel of the quality "C 45" were evaluated and graphically represented in an open-die forging press.
  • the graphical diagram according to FIG. 4 shows the distribution and the course of the local degrees of stretching ( ⁇ R ) in the form of a curve (27) on the contact surface tool-workpiece, namely measured on the axis of symmetry of the contact surface in the longitudinal direction when forging the stepped block (25) without bite offset, ie without Forging controlled according to the invention.
  • the graphs shown in Figures 6 and 7 show the shape change distribution in the core of a metallic workpiece after a one to ten times over-forging, based on the longitudinal axis standardized to 100%, once with bite offset control according to the invention (Fig. 6) and once without Bite offset control (Fig. 7).
  • the bite offset control according to the invention achieves a very uniform, homogeneous shape change distribution of the workpiece core during the overmold (FIG. 6, number 29), whereas the overmoulding of the workpiece without a bite offset control results in a very unevenly distributed shape change distribution Workpiece cores (Fig. 7, number 30) leads.
  • FIG. 8 shows a schematic representation of the comparison shape change ( ⁇ V ) for the center line of a forging block with a bite offset of s B / 2.
  • the cross-section of the forging block is forged back to a square.
  • the desired bite offset that is, a shift of the pressed areas compared to the previous first overmold.
  • the offset is achieved when a percentage of the elongated bite width (here about 50%) of the previous overmold corresponding to the bite offset is no longer processed.
  • the bite width must be selected equal to the extended bite width of the previous stitch in this overmold.
  • a "normal" forging cycle is carried out according to the required forging parameters.
  • a bite offset in every overmold is not always feasible, since the bite width would have to increase continuously in accordance with the stretch of the forging block and, after a few overmoldings, the available saddle width or the maximum pressing force would be reached as a limit. Furthermore, this procedure cannot meet the requirement for a constant bite ratio during the entire forging process. Quality optimization in the sense of a homogeneous core forging and a largely avoidance of surface cracks in the area of action of the saddle radii is already achieved by the method described above of a bite offset in every second forging. The consequence of the bite offset is a stepped forging block falling on one side.
  • the bite offset control according to the invention results in a particularly uniform forging of the metallic workpiece, which contributes to a considerable improvement in the quality of the forged product produced in each case.
  • both the method and the device for carrying out the method according to the invention for stretching metallic workpieces can be used with advantage both in cold forging processes and in hot forging processes.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Forging (AREA)

Abstract

Beim Recken eines metallischen Werkstückes in einer Schmiedepresse bereitet eine möglichst homogene Durchschmiedung des Werkstückes erhebliche Schwierigkeiten. Eine Durchschmiedung ist erwünscht, da sie die Qualität des Schmiedeproduktes sehr maßgeblich beeinflußt. Beim Reckprozeß des Werkstückes kommt es darüberhinaus sehr häufig auch zu Rißbildungen an der Oberfläche des Schmiedestückes oder gar zu Kantenrissen, so daß die fertigen Schmiedeprodukte auf Grund dieser Mängel bzw. Schäden als Ausschuß verworfen werden müssen. Gemäß der Erfindung werden jedoch alle diese Nachteile dadurch vermieden, daß das Werkstück (5) vor der jeweiligen Reckung bzw. dem Biß zwischen dem Obersattel (6) und dem Untersattel (7) der Schmiedepresse in Werkstückstreckrichtung (20) unter Einbeziehung der während der Verformung gemessenen Längung des Werkstücks (5) jeweils nur so weit versetzt bzw. verschoben wird, daß der Bißrand (8) des jeweils vorhergehenden Bisses innerhalb der Sattelränder (9, 10) und (11, 12) zu liegen kommt. Die Reckgradmessung erfolgt bevorzugt kontinuierlich mechanisch- elektrisch oder optoelektronisch.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Recken eines metallischen Werkstückes in einer Schmiedepresse, insbesondere in einer Freiformschmiedepresse, wobei das Werkstück zwischen dem Obersattel und dem Untersattel der Schmiedepresse - in Streckrichtung bzw. in Längsrichtung des Werkstückes gesehen - jeweils um einen Biß versetzt bzw. verschoben und gegebenenfalls um die Längsachse gedreht wird.
  • Bekanntlich ist das älteste Verfahren zur Formgebung und zum Recken von metallischen Werkstücken das Freiformschmieden, welches sich durch eine Reihe von Vorteilen auszeichnet. Einer dieser Vorteile des Freiformschmiedens ist in der großen Flexibilität zu sehen, da mit relativ einfachen Schmiedewerkzeugen vielfältige Produktformen unterschiedlichster Größenordnung aus metallischen Werkstücken sehr exakt hergestellt werden können. Auch lassen sich bei richtiger Wahl der Umformparameter in Verbindung mit einer geeigneten Wärmebehandlung des Werkstückes deutliche Verbesserungen der durch den Gießprozeß bedingten Werkstoffeigenschaften erreichen. Eine wichtige Forderung an die Qualität eines Schmiedeproduktes ist eine gleichmäßig gute Durchschmiedung des Werkstückkerns, um Lunker und sonstige qualitätsmindernde Einschlüsse im Werkstück zu beseitigen. In der bisherigen Praxis wird ein Werkstück zunächst ausgeschmiedet bzw. verformt und erst anschließend auf Fehlerfreiheit untersucht. Stellt sich nun bei der anschließenden Prüfung des ausgeschmiedeten und verformten Werkstückes heraus, daß die vom Gießprozeß des Werkstückes herrührenden Lunker und sonstigen Einschlüsse durch den Schmiedeprozeß nicht beseitigt werden konnten, so muß das Schmiedestück als Ausschuß verworfen werden, was mit hohen Material- und Energiekosten verbunden ist.
  • Ferner weisen die oberflächennahen Zonen des Werkstückes beim Verformen bzw. Strecken aufgrund der Wärmeabgabe an das Schmiedepreßwerkzeug und die Umgebung eine höhere Fließspannung auf als die darunterliegenden Zonen. Dies hat zur Folge, daß die oberflächennahen Zonen des Werkstücks aufgrund ihrer erhöhten Fließspannung einer plastischen Verformung viel stärker entgegenwirken als die inneren Zonen, was sehr leicht zu Rißbildungen an der Oberfläche und den oberflächennahen Zonen des fertig geschmiedeten Werkstückes führen kann.
  • Die Gefahr von Rißbildungen und Rissen in den oberflächennahen Zonen des fertig geformten und gestreckten Schmiedewerkstückes ist insbesondere dann sehr groß, wenn das Werkstück in einer Schmiedepresse, wie sie beispielsweise in der deutschen Auslegeschrift 19 26 638 beschrieben und dargestellt ist, beim Strecken jeweils um eine ganze Bißbreite versetzt bzw. verschoben wird. Insbesondere die Fig. 3 dieser Druckschrift zeigt, daß die äußeren Kanten des Ober- und Untersattels genau über die jeweils vorhergehenden Bißränder bzw. Bißkanten gefahren werden, wobei dann an diesen Stellen, wo die Kanten der Schmiedewerkzeuge mit den Bißrändern des jeweils vorhergehenden Bisses bei der Streckung des Werkstückes zusammentreffen, bei sensiblen und/oder hochlegierten Werkstoffen auf Grund des hohen Spannungs- und Formänderungszustandes leicht Risse auftreten können. Darüberhinaus kann mit diesem bekannten Freiformschmiedeprozeß, bei dem das Werkstück jeweils um eine ganze Bißbreite versetzt bzw. verschoben wird, die für die Qualität des Schmiedeproduktes jeweils geforderte, gleichmäßig gute Durchschmiedung des Werkstückkerns nicht erreicht und Lunker wie auch sonstige qualitätsmindernde Einschlüsse im Schmiedestück nicht ausreichend beseitigt werden.
  • Soweit bereits im Stand der Technik mit Bißversatz bzw. insbesondere kleinen Vorschüben gearbeitet wurde, ergaben sich Qualitätsverbesserungen nur zufällig, da der Bißversatz nicht gezielt eingesetzt und in keinem Fall die sich beim Verformungsprozeß erge bende Längung bzw. Streckung des Werkstückes berücksichtigt wurde.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Recken eines metallischen Werkstückes in einer Schmiedepresse zu schaffen, wodurch nicht nur in einfacher Weise Rißbildungen und Risse in den oberflächennahen Zonen am Werkstück vermieden werden, sondern wodurch auch eine besonders gute und gleichmäßige Durchschmiedung des Werkstückes erreicht wird, insbesondere auch des Werkstückkerns.
  • Die Aufgabe wird mit der Erfindung dadurch gelöst, daß das Werkstück vor der jeweiligen Reckung bzw. dem Biß zwischen dem Obersattel und dem Untersattel der Schmiedepresse in Werkstückstreckrichtung unter Einbeziehung der während der Verformung gemessenen Längung des Werkstückes jeweils nur so weit versetzt bzw. verschoben wird, daß der Bißrand des jeweils vorhergehenden Bisses am Werkstück innerhalb der Sattelränder zu liegen kommt. Durch diese Maßnahme wird sehr vorteilhaft ein sogenanntes Überschmieden der vorangegangenen Bißbreite und damit des jeweils vorhergehenden Bißrandes erreicht. Durch dieses Überschmieden des jeweils vorhergehenden Bißrandes werden Rißbildungen oder gar Brüche in den Bereichen der Bißränder bzw. am ganzen Werkstück mit Sicherheit vermieden. Gleichzeitig wird durch das Überschmieden des jeweils vorherigen Bißrandes gemäß der Erfindung auch sehr vorteilhaft eine gleichmäßige und besonders homogene Durchschmiedung, insbesondere auch des Werkstückkerns erreicht und dabei Lunker und sonstige qualitätsmindernde Einschlüsse im Schmiedeprodukt verschlossen bzw. beseitigt. Die nach dem Verfahren der Erfindung hergestellten Schmiedeprodukte weisen daher eine hohe Qualität auf, und es fallen keine Schmiedeprodukte mehr an, die als Ausschuß verworfen werden müßten.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Werkstück vor der Reckung zwischen dem Obersattel und dem Untersattel in Werkstückstreckrichtung jeweils soweit versetzt bzw. verschoben, daß der Bißrand des jeweils vorhergehenden Bisses etwa in der Mitte zwischen den Sattelrändern zu liegen kommt. Wie praktische Versuche gezeigt haben, handelt es sich bei diesen erfindungsgemäßen Maßnahmen, insbesondere hinsichtlich der Qualität und der pro Zeiteinheit hergestellten Freiformschmiedeprodukte um einen optimalen Bißversatz.
  • Mit großem Vorteil wird nur bei jeder zweiten Überschmiedung mit exakt positioniertem Bißversatz gearbeitet, wobei vorzugsweise die exakte Positionierung darin besteht, daß der neue Bißrand auf die Mitte des vorherigen Bisses gelegt wird.
  • Ferner ist vorgesehen, daß der Bißrand nach viermaliger Versetzung des Werkstückes in Streckrichtung die Sattelränder erreicht und dabei eine viermalige Überschmiedung erfährt, wobei vorzugsweise die Werkstückbißbreite (b) etwa 25 % von der Werkzeugflächenbißbreite (B) beträgt.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt der Schmiedeprozeß, insbesondere die Ausschmiedung bzw. Überschmiedung des Werkstückes, mittels einer vollautomatischen Schmiedeprozeß-Steuerung mit Prozeßrechner, der über ein adaptives Modell des Schmiedeprozesses die für die Steuerung der Schmiedepresse erforderlichen Steuerwerte (Sollwerte) für jeweils eine Überschmiedung des Werkstückes berechnet, wobei das Modell des Schmiedeprozesses mit Hilfe der über die Meßwerterfassung gewonnenen Istwerte, inbesondere der Werkstückstreckung je Überschmiedung über eine Parameteradaption während des Schmiedeprozeßverlaufes (online) korrigiert wird. Eine derartige vollautomatische Schmiedeprozeß-Steuerung mit Prozeßrechner ermöglicht es, den Schmiedeprozeß während der Fertigung des Werkstückes hinsichtlich der Schmiedewirkung, insbesondere hinsichtlich der Wirkung jedes einzelnen Bisses, laufend und genau zu verfolgen. Auf diese Weise können die sich auf die Güte bzw. Qualität des Schmiedestückes auswirkenden Umformparameter während des Schmiedeprozesses praktisch ohne Zeitverzö gerung erfaßt und daraus die nötigen Schmiedeparameter abgeleitet werden, um die jeweils geforderten Werkstückseigenschaften am Ende der Schmiedung zu garantieren.
  • Für die Vorrichtung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine vollautomatische Schmiedeprozeßsteuerung mit Prozeßrechner vorgesehen ist, sowie ein Reckgradmesser zur exakten Messung der Streckung bzw. Längung des Werkstücks in Streckrichtung während der Verformung. Die kontinuierliche Messung erfolgt dabei besonders betriebssicher und störunanfällig mittels eines mechanisch- elektrischen Reckgradmessers, der mit einem, am freien Ende des Werkstückes lösbar angebrachten Meßseil verbunden ist. Darüberhinaus kann der Reckgradmesser aber auch als berührungsloses Meßsystem, vorzugsweise opto-elektronisch ausgebildet sein. Berührungslose optische Meßverfahren, die sich auf moderne opto- elektronische Halbleiterbauelemente stützen, arbeiten vorteilhaft völlig verschleißfrei und mit äußerst geringen Meßzeiten.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Erläuterung einer schematisch dargestellten Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung sowie verschiedenen weiteren graphischen Darstellungen.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1 einen Manipulator einer Freiformschmiedepresse mit Werkstück und Reckgradmesser in perspektivischer Darstellung,
    • Fig. 2 ein Werkstück mit in der Bißmitte der Schmiedepreßwerkzeuge positioniertem Bißrand in perspektivischer Darstellung,
    • Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Schmiedeprozeßsteuerung mit Prozeßrechner,
    • Fig. 4 und 5 Verteilungen der örtlichen Reckgrade eines Schmiedeblockes ohne und mit Bißversatz,
    • Fig. 6 und 7 Formänderungsverteilungen eines Schmiedeblockes mit und ohne Bißversatzsteuerung nach mehrfacher Überschmiedung,
    • Fig. 8 die Verteilung der Vergleichsformänderung für die Mittellinie eines Schmiedeblocks mit gezieltem Bißversatz bei jeder zweiten Überschmiedung.
  • Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht nach Figur 1 aus einem Manipulator (1) mit Zangenträger (2), der in einer in der Zeichnung nicht näher dargestellten Schmiedepresse, insbesondere Freiformschmiedepresse, in Achslängsrichtung (Pfeil 3) versetzbar und um die Längsachse drehbar (Pfeil 4) angeordnet ist. Im Zangenträger (2) befindet sich ein Werkstück (5), das zwischen dem Obersattel (6) und dem Untersattel (7) der Schmiedepresse so angeordnet ist, daß der Bißrand (8) des vorhergehenden Bisses innerhalb der Sattelränder (9, 10) und (11, 12) zu liegen kommt. Am freien Ende (13) ist das Werkstück (5) über ein Meßseil (14) zur Bestimmung des Reckgrades mit der Seilspule (15) eines Reckgradmessers (16) lösbar verbunden, der aus einem höhenverstellbaren Ständer (17) mit darauf angeordnetem Antriebsmotor (18) als Drehgeber und einem Drehmomentenregler (19) zur Konstanthaltung des Drehmomentes besteht.
  • Mit Hilfe Reckgradmessers (16) kann sehr vorteilhaft der jeweilige Reckgrad, und zwar anhand der jeweils veränderten Länge des Meßseils (14) vor und nach der Überschmiedung des Werkstückes genau erfaßt und über den Manipulator (1) zur Steuerung des Bißversatzes herangezogen werden. Wesentlich ist hierbei die Aufrechterhaltung einer konstanten Spannung des Meßseils (14), die mit Hilfe des Drehmomentreglers (19) und der daran angeschlossenen Seilspule (15) erreicht wird. Zur Messung der Meßseillänge dient der als Drehgeber ausgebildete Antriebsmotor (18).
  • Das Werkstück (5) wird vor jeder Reckung bzw. vor jedem Biß zwischen dem Obersattel (6) und dem Untersattel (7) in Werkstücklängsrichtung mit Hilfe des Manipulators (1) nur so weit versetzt, daß der Bißrand (8) des vorhergehenden Bisses innerhalb der Sattelränder (9, 10) und (11, 12) zu liegen kommt. Der Bißrand (8) des Werkstückes (5) befindet sich in der in Fig. 1 dargestellten Lage - in Streckrichtung (20) des Werkstück es (5) gesehen - etwa im ersten Viertel der von den Sattelrändern (11, 12) begrenzten Werkzeugflächenbißbreite (B), so daß die Werkstückbißbreite (b) etwa 25 % der Sattelbißbreite (B) beträgt, und der Bißrand (8) erst nach viermaliger Versetzung des Werkstückes (5) in Streckrichtung (20) den Sattelrand (12) erreicht und dabei eine viermalige Überschmiedung erfährt. Durch diese viermalige Überschmiedung des jeweils vorhergehenden Bißrandes (8) gemäß der Erfindung werden nicht nur Rißbildungen oder Brüche am Schmiedeprodukt mit Sicherheit vermieden, sondern es wird auf diese Weise auch sehr vorteilhaft eine besonders gleichmäßige Durchschmiedung des Werkstückes erreicht, durch die eine ausschußfreie Herstellung eines Schmiedeproduktes hoher Qualität gewährleistet wird.
  • Bei dem in Figur 1 dargestellten Werkstück (5) handelt es sich um die Herstellung eines im Querschnitt rechteckfömigen Metallstabes. Es ist daher verständlich, daß das noch ungeformte Werkstück (5) vor jeder Versetzung um die Bißbreite (b) einer zweimaligen Reckung bzw. Verformung durch die Sattelwerkzeuge (6) und (7) der Schmiedepresse untergezogen werden muß, wobei das Werkstück vom Manipulator (1) jeweils um 90 Grad um die Längsachse gedreht wird. Die Herstellung von flachen oder längsorientierten Schmiedeprodukten erfordert dagegen keine Drehung des Werkstückes.
  • Wie Figur 2 zeigt, kann das Werkstück (21) vor der Reckung zwischen dem Obersattel (6) und dem Untersattel (7) der Schmiedepresse in Werkstückslängsrichtung auch jeweils so weit versetzt werden, daß die Bißränder (22) des jeweils vorhergehenden Bisses am Werkstück (21) etwa in der Mitte zwischen den Sattelrändern (23, 24) zu liegen kommen. Die Bißbreite (b) am Werkstück (21) und damit der Bißversatz beträgt somit 50 % der Sattelbißbreite (B), das heißt, daß vor jeder zweiten Überschmiedung des Werkstückes (21) die Bißränder (22) auf die Bißmitte der vorangegangenen Überschmiedung positioniert werden. Mit (bʹ) ist die gestreckte Bißbreite am Werkstück (21) nach der vorhergegangenen Überschmiedung des Werkstückes (21) gekennzeichnet. Die oberhalb der Zeichnung in Fig. 2 angeführten Rechenformeln beziehen sich auf die Höhenabnahme, die Breite und den Reckgrad des Werkstückes (21) sowie auf das Bißverhältnis bei dem dargestellten Bißversatz von 50 %. Durch diesen aufgezeigten Bißversatz von 50 % der Sattelbißbreite (B) werden einerseits sehr vorteilhaft Kantenrisse vermieden, und andererseits wird hierdurch auch hinsichtlich der Durchschmiedung des Werkstückes, insbesondere des Kernes sowie im Hinblick auf die Ausstoßmenge an fertigen Schmiedeprodukten pro Zeiteinheit eine Optimierung erzielt. Im übrigen handelt es sich bei diesem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel um die Herstellung eines flachen Schmiedeproduktes ohne Drehung des Werkstückes.
  • Um einen vollautomatischen Ablauf des Schmiedeprozesses zu gewährleisten, ist gemäß der Erfindung eine Schmiedeprozeßsteuerung mit Prozeßrechner vorgesehen. Der Schmiedeprozeß, insbesondere die Ausschmiedung und Überschmiedung des Werkstückes erfolgt mittels einer vollautomatischen Schmiedeprozeß-Steuerung mit Prozeßrechner nach dem in Figur 3 schematisch dargestellten Blockschaltschema. Wie aus diesem Blockschaltbild zu ersehen ist, werden vom Prozeßrechner über ein adaptives Modell des Schmiedeprozesses die für die Steuerung der Schmiedepresse erforderlichen Steuerwerte (Sollwerte) für jeweils eine Überschmiedung errechnet, wobei das Modell des Schmiedeprozesses mit Hilfe der über die Meßwerterfassung aus der Werkzeuggeschwindigkeit, der Preßkraft, der Obersattelposition, der Manipulatorposition, den Werkstückdaten, der Werkstofftemperatur, des Stoffflusses und der Werkstückstreckung gewonnenen Istwerte über eine Paramteradaption während des Schmiedeprozeßablaufes (on-line) korrigiert wird. Es handelt sich bei dieser vollautomatischen Schmiedeprozeßsteuerung gemäß der Erfindung um einen im Prinzip bekannten meßtechnischen Vergleich zwischen den Istwertparametern und den vorgegebenen bzw. vorprogrammierten Sollwertparametern, wobei jede Abweichung des jeweiligen Istwertes vom vorgegebenen Sollwert erfaßt wird und in Abhängigkeit der Abweichung vom Sollwert eine entsprechende Korrektur des Schmiedeprozeßablaufes ërfolgt. Die genaue Erfassung des Werkstückreckgrades mit Hilfe des Reckgradmessers (vgl. Fig. 1, Ziffer 16) und die Einbeziehung des jeweils vom Reckgradmesser erfaßten Reckgrades in die Schmiedeprozeßsteuerung gemäß der Erfindung ist jedoch völlig neu und liefert die für die Optimierung des Schmiedeprozesses erforderlichen Meß- und Steuerwerte. Durch diese erfindungsgemäße Schmiedeprozeßsteuerung kann der Bißversatz jeweils optimal auf das in der Schmiedepresse zu verformende metallische Werkstück eingestellt werden, wodurch im Vergleich zu den bisher bekannten Schmiedeprozeßsteuerungen eine erhebliche Verbesserung der Güte und Qualität des jeweiligen Schmiedeendproduktes erreicht wird
  • In den Figuren 4 und 5 wurden die Ergebnisse von praktisch durchgeführten Reckversuchen an zwei Blöcken (25, 26) aus Kohlenstoffstahl der Qualität "C 45" in einer Freiformschmiedepresse ausgewertet und graphisch dargestellt. Das graphische Schaubild gemäß Fig. 4 zeigt die Verteilung und den Verlauf der örtlichen Reckgrade (λ R) in Form einer Kurve (27) auf der Kontaktfläche Werkzeug-Werkstück, und zwar gemessen auf der Symmetrieachse der Kontaktfläche in Längsrichtung beim Schmieden des abgesetzten Blockes (25) ohne Bißversatz, d. h. ohne erfindungsgemäß gesteuerte Überschmiedung. Das graphische Schaubild gemäß Fig. 5 dagegen zeigt die Verteilung und den Verlauf der örtlichen Reckgrade (λ R)in Form einer Kurve (28) entlang der Kontaktfläche Werkzeug-Werkstück beim Schmieden des abgesetzten Blockes (26) mit Bißversatz, d. h. mit Überschmiedung gemäß der Erfindung.
  • Wie aus der Darstellung der Versuchsergebnisse in den Figuren 4 und 5 klar zu ersehen ist, traten beim Schmieden ohne Bißversatz des Stahlblockes (25) extrem große örtliche Reckgrade (λ R = 6 - Verlauf der Kurve (27) gemäß Fig. 4) auf, während beim Schmieden des Stahlblockes (26) mit Bißversatz nur örtliche Reckgrade von maximal λ R = 2 (Verlauf der Kurve (28) in Fig. 5) auftraten. Während die im graphischen Schaubild gemäß Fig. 4 extrem hohen Reckgrade beim Freiformschmieden von metallischen Werkstücken ohne Bißversatz, insbesondere beim Schmieden hochlegierter Stahlblöcke, sehr leicht zu Oberflächen- und Kantenrissen führen können, werden dagegen durch die sehr niedrigen Reckgrade gemäß Fig. 5 beim Schmieden von beliebigen metallischen Werkstücken mit Bißversatz jegliche Oberflächen- und Kantenrisse mit Sicherheit vermieden.
  • Die in den Figuren 6 und 7 dargestellten Schaubilder zeigen die Formänderungsverteilung im Kern eines metallischen Werkstückes nach einer ein- bis zehnmaligen Überschmiedung, bezogen auf die auf 100 % normierte Blocklängsachse,und zwar einmal mit Bißversatzsteuerung gemäß der Erfindung (Fig. 6) und einmal ohne Bißversatzsteuerung (Fig. 7). Wie ein Vergleich der Figuren eindeutig erkennen läßt, wird durch die erfindungsgemäße Bißversatzsteuerung bei der Überschmiedung eine sehr gleichmäßig verlaufende, homogene Formänderungsverteilung des Werkstückkerns erreicht (Fig. 6, Ziffer 29), wohingegen die Überschmiedung des Werkstückes ohne Bißversatzsteuerung zu einer sehr ungleichmäßig verlaufenden Formänderungsverteilung der Werkstückkerne (Fig. 7, Ziffer 30) führt.
  • Figur 8 zeigt eine schematische Darstellung der Vergleichsformänderung (φ V) für die Mittellinie eines Schmiedeblocks mit einem Bißversatz um s B / 2. Die Vergleichsformänderung ist ein Maß für die erzielte lokale Umformung, mit
    Figure imgb0001
    Es bedeuten ferner h₀, h₁ = Anfangs- bzw. Endhöhe; l₀, l₁ = Anfangs- bzw. Endlänge; b₀, b₁ = Anfangs- bzw. Endbreite; s B = Bißbreite; λ R = l₁ / l₀ = Reckgrad
  • Beim Rechteckstich (2. Überschmiedung) wird der Querschnitt des Schmiedeblocks auf ein Quadrat zurückgeschmiedet. Bei dieser Überschmiedung wird zugleich der gewünschte Bißversatz, also eine Verschiebung der gedrückten Flächen gegenüber der vorangegangenen 1. Überschmiedung, eingestellt. Der Versatz wird erreicht, wenn ein dem Bißversatz entsprechender Prozentsatz der gestreckten Bißbreite (hier etwa 50 %) der vorangegangenen Überschmiedung nicht mehr bearbeitet wird. Zugleich muß bei dieser Überschmiedung die Bißbreite gleich der gestreckten Bißbreite des vorangegangenen Stiches gewählt werden. In dem darauf folgenden Quadratstich (3. Überschmiedung) wird entsprechend den geforderten Schmiedeparametern ein "normaler" Schmiedezyklus durchgeführt. Ein Bißversatz in jeder Überschmiedung ist nicht immer realisierbar, da die Bißbreite entsprechend der Streckung des Schmiedeblocks ständig anwachsen müßte und somit nach wenigen Überschmiedungen als Grenze die verfügbare Sattelbreite oder die maximale Preßkraft erreicht würde. Desweiteren läßt sich durch diese Vorgehensweise die Forderung nach einem konstanten Bißverhältnis während des gesamten Schmiedeablaufs nicht erfüllen. Eine Qualitätsoptimierung im Sinne einer homogenen Kernverschmiedung und einer weitgehenden Vermeidung von Oberflächenrissen im Wirkungsbereich der Sattelradien wird aber bereits durch das oben beschriebene Verfahren eines Bißversatzes in jeder zweiten Überschmiedung erreicht. Die Konsequenz des Bißversatzes ist ein einseitig fallender gestufter Schmiedeblock.
  • Am folgenden Zahlenbeispiel gemäß der schematischen Darstellung in Figur 8 werden die erfindungsgemäßen Maßnahmen näher erläutert.
    • 1. Überschmiedung (Ausgangslage, Quadrat)

      h₀ = 200 mm, l₀ = 700 mm, s B = 100 mm
      b₀ = 200 mm
      h₁ = 160 mm, l₁ = 807 mm
      λ R = l₁ / l₀ = 1,15
    • 2. Überschmiedung (90 Grad gedreht)

      h₀ = 217 mm, l₀ = (809 - 1/2 . 1,15 . 100) mm = 750 mm
      b₀ = 160 mm
      h₁ = 174 mm, s B = 100 . 1,15 mm = 115 mm, l₁ = 863 mm
      λ R = 1,15

      (Bißversatz: 1/2 . s B der vorhergehenden Überschmiedung 1/2 . λ R . s B = 57 mm)
    • 3. Überschmiedung (90 Grad gedreht, kein Bißversatz)

      h₀ = 174 mm, l₀ = 863 mm, s B = 87 mm
      b₀ = 174 mm
      h₁ = 140 mm, l₁ = 991 mm
      λ R = 1,15
    • 4. Überschmiedung (90 Grad gedreht, mit Bißversatz)

      h₀ = 188 mm, l₀ = (991 - 1/2 . 1,145 . 87) = 941 mm
      h₀ = 140 mm, s B = 87 . 1,15 = 100 mm
      h₁ = 150 mm, l₁ = ... usw

      (Bißversatz: 1/2 . 87 . 1,15 = 50 mm)
  • Durch die Bißversatzsteuerung gemäß der Erfindung wird eine besonders gleichmäßige Durchschmiedung des metallischen Werkstückes bewirkt, was zu einer erheblichen Verbesserung der Qualität des jeweils hergestellten Schmiedeproduktes beiträgt. Im übrigen kann sowohl das Verfahren als auch die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung zum Recken von metallischen Werkstücken sowohl bei Kaltschmiedeprozessen als auch bei Warmschmiedeprozessen mit Vorteil angewandt werden.

Claims (8)

1. Verfahren zum Recken eines metallischen Werkstückes in einer Schmiedepresse, insbesondere in einer Freiformschmiedepresse, wobei das Werkstück zwischen dem Obersattel und dem Untersattel der Schmiedepresse - in Streckrichtung bzw. Längsrichtung des Werkstückes gesehen - jeweils um einen Biß versetzt bzw. verschoben und gegebenenfalls um die Längsachse gedreht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück vor der jeweiligen Reckung bzw. dem Biß zwischen dem Obersattel un d dem Untersattel der Schmiedepresse in Werkstückstreckrichtung unter Einbeziehung der während der Verformung gemessenen Längung des Werkstückes jeweils nur so weit versetzt bzw. verschoben wird, daß der Bißrand des jeweils vorhergehenden Bisses am Werkstück innerhalb der Sattelränder zu liegen kommt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück vor der Reckung zwischen dem Obersattel und dem Untersattel in Werkstückstreckrichtung jeweils so weit versetzt bzw. verschoben wird, daß der Bißrand des jeweils vorhergehenden Bisses etwa in der Mitte zwischen den Sattelrändern zu liegen kommt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß nur bei jeder zweiten Überschmiedung mit exakt positioniertem Bißversatz gearbeitet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Bißrand nach viermaliger Versetzung des Werkstückes in Streckrichtung die Sattelränder erreicht und dabei eine viermalige Überschmiedung erfährt, wobei vorzugsweise die Werkstückbißbreite (b) etwa 25 % von der Werkzeugflächenbißbreite (B) beträgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Schmiedeprozeß, insbesondere die Ausschmiedung bzw. Überschmiedung des Werkstückes, mittels einer vollautomatischen Schmiedeprozeß-Steuerung mit Prozeßrechner erfolgt, der über ein adaptives Modell des Schmiedeprozesses die für die Steuerung der Schmiedepresse erforderlichen Steuerwerte (Sollwerte) für jeweils eine Überschmiedung des Werkstückes berechnet, wobei das Modell des Schmiedeprozesses mit Hilfe der über die Meßwerterfassung gewonnenen Istwerte, insbesondere der Werkstückstreckung, je Überschmiedung über eine Parameteradaption während des Schmiedeprozeßablaufes (online) korrigiert wird.
6. Vorrichtung zum Recken eines metallischen Werkstückes in einer Schmiedepresse, insbesondere in einer Freiformschmiedepresse, wobei das Werkstück zwischen dem Obersattel und dem Untersattel der Schmiedepresse - in Streckrichtung bzw. Längsrichtung des Werkstückes gesehen - jeweils um einen Biß versetzt bzw. verschoben und gegebenenfalls um die Längsachse gedreht wird, mit einem in Achslängsrichtung versetzbaren bzw. verschiebbaren und um die Längsachse drehbaren Manipulator mit Zangenträger für das Werkstück, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine vollautomatische Schmiedeprozeßsteuerung mit Prozeßrechner, sowie durch einen Reckgradmesser zur exakten Messung der Streckung bzw. Längung des Werkstücks (5, 21) in Streckrichtung (20) während der Verformung.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der Reckgradmesser (16) über ein am freien Ende (13) des Werkstückes (5) lösbar angeordnetes Meßseil (14) mit dem Werkstück (5) verbunden ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, daß der Reckgradmesser (16) aus einem höhenverstellbaren Ständer (17) mit darauf angeordnetem Antriebsmotor (18) als Drehgeber und einem Drehmomentregler (19) mit Seilspule (15) besteht.
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