EP1171252B1 - Verfahren zur massivumformung von axial-symmetrischen metallischen bauteilen - Google Patents

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EP1171252B1
EP1171252B1 EP00914010A EP00914010A EP1171252B1 EP 1171252 B1 EP1171252 B1 EP 1171252B1 EP 00914010 A EP00914010 A EP 00914010A EP 00914010 A EP00914010 A EP 00914010A EP 1171252 B1 EP1171252 B1 EP 1171252B1
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forming
heat
extrusion
action
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    • C21D2221/00—Treating localised areas of an article

Definitions

  • the present invention relates to a method according to the preamble of claim 1.
  • the dimensional accuracy and surface quality should correspond to that of cold forming.
  • the method should allow in connection with Follow-up operations of individual process steps, such as repressing, Switch off hardening, polishing, cutting or cutting etc., to simplify or cheapen.
  • the invention is based on the knowledge that the ability to change shape is not a pure material property but also depends on the process conditions.
  • a local adaptation of the Resilience to the desired deformation by means of targeted heating of the workpiece using a combination of cold and hot forming, which has the advantages the good forming on the warm workpiece with the advantages cold forming, such as material hardening, dimensional accuracy and high surface quality.
  • the cold forming or the resulting thereof Solidification through a specifically influenced Temperature curve on the workpiece can be optimized.
  • the heat treatment before, during and after cross extrusion can be known by means known per se, such as induction heating, Flame or laser.
  • the preheating of the workpiece can be inductive be carried out during the targeted introduction of Process heat on the press, through a timely and targeted guided high energy laser beam.
  • inductive heating according to claim 4 is favorable.
  • the depth of penetration of the heat can be determined by a time-dependent control of the frequency of the induction current adjust very precisely so that the transition areas between Cold and hot forming can be clearly distinguished, cf. Claim 5.- This allows the desired temperature profile pretend.
  • Heat can also be dissipated using cooled grippers etc. to be controlled. Cooling with water has proven itself; but it can also be done by subsequent air cooling be added so that the press is already at the Removal of the compact is dry. Similar means could be used for the further processing of the Pellets are used in further process stages, what u.a. the lead time and energy costs are considerable would improve.
  • a blank 100 is in its central area 40 by a heat source 30 above its recrystallization temperature heated.
  • a heat source 30 above its recrystallization temperature heated.
  • stamp 10 gripped on its shaft diameter and with a force F deformed so that an axially symmetric Bund (flange) is created.
  • the blank 100 is shown individually and with Provide dimension lines; the shaft diameter is d1, the lower shaft diameter d2 and length L0.
  • FIG. 1 creates a Pressing 100 'according to FIG. 3, which for example as Gear shaft is used. Because of the cross extrusion the original length L0 reduced to L1, in one area of material forming S1 are thickened material on the shaft lockable; a bundle was pressed with a Diameter D and a collar width S2.
  • the hardening behavior is modified locally so that the resilience of the shape change to be achieved is adjusted. So there is a "tailoring" of the material property the forming process. So then local degrees of deformation very much greater than 1.0 without intermediate annealing possible. Since the procedure is essentially a Cold cross extrusion remains is a comparable accuracy the final shape and a desired increase in strength guaranteed. By customizing the chosen local Temperature and controlled cooling can be a in in practice sufficient strength of the hot or semi-hot formed Federal generated.
  • FIG. 4 A commercially available robot 60 with an axis of rotation 61 and two articulated arms 62 and 63 and a controlled hydraulic telescopic arm 64 carries one Heater 30 with an induction coil, which over a Blank 100 grips and this through a displacement stroke V selectively partially heated.
  • the blank 100 is preceded by the same robot 60 - In the die 20 of a notoriously known hydraulic Press 90 has been spent. There is an ejector cylinder underneath 92; The blank is over the blank 100 10 arranged and in operative connection with a press cylinder 91. - This stage of the process is designated I. and affects partial warming.
  • process stage II is the start of the pressing process shown; the hydraulic piston of the press cylinder 91 is moved down in the direction of the arrow.
  • Process stage III shows the final pressing at max. Print; The blank 100 has become the compact 100 '.
  • process stage IV the die moves back in their starting position while a cooling tongs 50 that with a water and air supply that is heated Batch of compact 100 'cools.
  • the cooling tongs 50 are constructed in a manner known per se and has an articulated guide 51 which leads to the robot 60 is compatible.
  • a medium supply is also shown 52, a medium drain 53 and the supplied cooling medium M and the extracted medium M '.
  • FIG. 5 shows a preferred variant of an inductive heater 30 by means of an induction coil 30 ', which is fed via a three-phase frequency converter 70, characterized by the phases R, S, T.
  • the grid frequency is denoted by f N, f controlled by a frequency control signal S V variable frequency V is supplied at a constant current i K of the induction coil 30 '.
  • the frequency control signal S V is preferably generated by a program control which takes into account all parameters of the blank 100 and of the compact 100 'to be generated when controlling the heating process.
  • Another advantage is that from a simple Blank, without preforming or without an additional die, reproducible rotationally symmetrical spatial shapes can be achieved are.

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der Verfahrenstechnik sind zahlreiche Umformverfahren bekannt, wobei diese entweder am warmen oder am kalten Werkstück erfolgen. Notorisch bekannt ist u.a. das Fliesspressen gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die bekannten Massivumformungen stossen beim Querfliesspressen unter Raumtemperatur rasch an Verfahrensgrenzen, d.h. bei hohen Umformgraden kommt es zu Einschnürungen beispielsweise am Rand eines Bundes, hervorgerufen durch die dort herrschenden tangentialen Zugspannungen, was zum Versagen des Werkstücks durch Aufreissen führt. Bei geringen Spalthöhen können Werkstofftrennungen im Bereich der Fliess-Scheide auftreten, wobei in dieser Zone die lokale Formänderung derart hoch ist, dass das Formänderungsvermögen des Werkstoffs erschöpft wird und kein Kaltverschweissen mehr möglich ist.
Unter dem Formänderungsvermögen eines Werkstoffs wird daher die maximale Formänderung verstanden, die dieser erträgt ohne dass ein Bruch entsteht. Charakterisiert wird dieses Formänderungsvermögen über die Bruchformänderung oder über die aus Zugversuchen ermittelten Zähigkeitskennwerte wie Bruchdehnung und Einschnürung. Die Bruchformänderung wird in Modellversuchen, Zug-, Druck- oder Torsionsversuchen ermittelt, wobei die Bruchformänderung grundlegend betrachtet der logarithmischen Bruchdehnung entspricht.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, welches eine Erhöhung der Umformgrade ermöglicht, ohne dass die Werkstückqualität darunter leidet.
Ebenfalls ist es Aufgabe der Erfindung, durch die Umformung die Werkstoffeigenschaften positiv zu beeinflussen, um nachfolgende Wärmebehandlungen in ihrer Zahl zu reduzieren oder gar zu eliminieren. Die Massgenauigkeit und Oberflächengüte soll derjenigen des Kaltumformens entsprechen.
Im weiteren soll das Verfahren erlauben, in Verbindung mit Folge-Operationen einzelne Verfahrensschritte, wie Nachpressen, Härten, Polieren, Spanen oder Schneiden etc., auszuschalten, zu vereinfachen oder zu verbilligen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass das Formänderungsvermögen keine reine Werkstoffeigenschaft ist sondern auch von den Verfahrensbedingungen abhängt.
Erfindungsgemäss erfolgt daher eine lokale Anpassung des Formänderungsvermögens an die gewünschte Verformung mittels einer gezielten Erwärmung des Werkstücks, wobei eine Kombination von Kalt- und Warmumformung erfolgt, welche die Vorteile der guten Umformung am warmen Werkstück mit den Vorteilen des Kaltumformens, wie Materialverfestigung, Massgenauigkeit und hohe Oberflächengüte vereinigt.
Gemäss Anspruch 2 kann das Kaltumformen bzw. dessen resultierende Verfestigung durch einen gezielt beeinflussten Temperaturverlauf am Werkstück optimiert werden.
Durch Führung des Abkühlvorgangs nach dem Querfliesspressen lässt sich zudem die Festigkeit des Werkstücks lokal nochmals verbessern, Anspruch 3.
Die Wärmebehandlung vor, während und nach dem Querfliesspressen kann mit an sich bekannten Mitteln, wie Induktionsheizung, Flamme oder Laser, erfolgen.
Beispielsweise kann die Vorwärmung des Werkstücks induktiv durchgeführt werden, während die gezielte Einbringung von Prozesswärme auf der Presse, durch einen zeitlich und zielgerecht geführten Laserstrahl hoher Energie, erfolgt.
Insbesondere bei rotationssymmetrischen Bauteilen, welche einer späteren Dreh- und/oder Schleifoperation unterzogen werden, ist eine induktive Erwärmung gemäss Anspruch 4 günstig.
Die Eindringtiefe der Wärmeeinwirkung lässt sich durch eine zeitabhängige Steuerung der Frequenz des Induktionsstromes sehr präzise einstellen, so dass die Übergangsbereiche zwischen Kalt- und Warmumformung scharf abgrenzbar sind, vgl. Anspruch 5.- Dadurch lässt sich das gewünschte Temperaturprofil vorgeben.
Ebenfalls kann die Wärmeabfuhr durch gekühlte Greifer etc. gesteuert werden. Bewährt hat sich eine Kühlung durch Wasser; sie kann aber auch durch eine anschliessende Luftkühlung ergänzt werden, so dass die Presse bereits bei der Entnahme des Presslings trocken ist. Gleichartige Mittel könnten zur Weiterverarbeitung des Presslings in weiteren Verfahrensstufen eingesetzt werden, was u.a. die Durchlaufzeit und die Energiekosten beträchtlich verbessern würde.
Nachfolgend werden anhand von Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung diskutiert, welche durch Versuche und rechnerische Nachprüfung (Simulation) erhärtet sind.
Es zeigen:
Fig. 1
eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemässen Verfahrens,
Fig. 2
einen Rohling, vorbereitet für das Querpressen,
Fig. 3
den resultierenden Pressling,
Fig. 4
die Umsetzung der simultanen Kalt- und Warmumformung auf eine hydraulische Presse, dargestellt in den Verfahrensschritten I - IV und
Fig. 5
eine Vorrichtung zur Durchführung der erfindungsgemäßen gesteuerten Erwärmung des Rohlings.
Gemäss Fig. 1 wird ein Rohling 100 in seinem mittleren Bereich 40 durch eine Wärmequelle 30 über seine Rekristallisationstemperatur erwärmt. Dabei oder anschliessend wird er mit seinem Schaft in eine Matrize 20 gestellt und durch einen Stempel 10 an seinem Wellendurchmesser gefasst und mit einer Kraft F verformt, so dass ein axial-symmetrischer Bund (Flansch) entsteht.
In Fig. 2 ist der Rohling 100 einzeln dargestellt und mit Masslinien versehen; der Wellendurchmesser beträgt d1, der untere Schaftdurchmesser d2 und die Länge L0.
Durch das in Fig. 1 aufgezeigte Verfahren entsteht ein Pressling 100' gemäss Fig. 3, welcher beispielsweise als Getriebewelle dient. Durch das Querfliesspressen hat sich die ursprüngliche Länge L0 auf L1 reduziert, in einem Bereich der Materialumformung S1 sind an der Welle Materialverdickungen feststellbar; gepresst wurde ein Bund mit einem Durchmesser D und einer Bundbreite S2.
Gewählt wurden folgende Parameter:
  • Werkstoff C15 (1.0441)
  • Umformtemperatur: 20 °C im kalten Bereich resp. 1000 °C im erwärmten Bereich
  • Länge L0 = 565 mm
  • Wellendurchmesser d1 = 75,5 mm
  • Schaftdurchmesser d2 = 50 mm
    • Erzielt wurden:
  • Ein Bunddurchmesser D = 117 mm
  • Eine Bundbreite von S2 = 9,6 mm
  • Das Werkstück wurde auf eine Länge L1 von 470 mm gestaucht.
  • Der Bereich der Materialumformung S1 beträgt 250 mm
  • Der lokale Umformgrad des Kaltfliesspressens beträgt maximal 1,2
  • Der lokale Umformgrad des Warmfliesspressens beträgt maximal 2,0
  • Die Fliess-Spannung bei der Kaltumformung betrug 806 MPa, im Maximum.
  • Die Fliess-Spannung bei der Warmumformung betrug 225 MPa, im Maximum.
    • Die numerische Simulation erfolgte mittels der Software MSC/SuperForge 1.0 (Fa. MacNeal-Schwendler GmbH, München)
    Bei der Warmumformung wird eine Verfestigung durch die dynamischen Entfestigungsvorgänge weitgehendst verhindert; die Verteilung der Fliess-Spannung ist homogen.
    Durch die erfindungsgemässe partielle Erwärmung werden die dynamischen Entfestigungsvorgänge gezielt örtlich ausgenutzt, wodurch das Formänderungsvermögen des Werkstoffs während des gesamten Umformvorganges nahezu unverändert bleibt.
    Das Verfestigungsverhalten wird lokal modifiziert, so dass das Formänderungsvermögen der zu erzielenden Formänderung angepasst wird. Also erfolgt ein "Massschneidern" der Werkstoffeigenschaft an den Umformvorgang. Damit werden dann lokale Umformgrade sehr viel grösser als 1,0 ohne Zwischenglühungen möglich. Da das Verfahren im wesentlichen ein Kaltquerfliesspressen bleibt, ist eine vergleichbare Genauigkeit der Endform und eine erwünschte Festigkeitssteigerung gewährleistet. Durch Anpassen der gewählten lokalen Temperatur und einer kontrollierten Abkühlung kann eine in praxi ausreichende Festigkeit des warm- oder halbwarmumgeformten Bundes erzeugt werden.
    Zur Abkühlung und/oder zur Aufrechterhaltung der gewünschten Temperaturgefälle bieten sich hydro- und aerodynamische Mittel an.
    Die praktische Umsetzung des erfindungsgemässen Verfahrens ist in Fig. 4 dargestellt. Ein handelsüblicher Roboter 60 mit einer Drehachse 61 und zwei Gelenkarmen 62 bzw. 63 und einem gesteuerten hydraulischen Teleskoparm 64 trägt eine Heizung 30 mit einer Induktionsspule, welche über einen Rohling 100 greift und diesen durch einen Verschiebehub V gezielt partiell erwärmt.
    Der Rohling 100 ist vorgängig - durch denselben Roboter 60 - in die Matrize 20 einer notorisch bekannten hydraulischen Presse 90 verbracht worden. Darunter befindet sich ein Ausstosszylinder 92; über dem Rohling 100 ist der Press-Stempel 10 angeordnet und mit einem Presszylinder 91 in Wirkverbindung. - Diese Verfahrensstufe ist mit I bezeichnet und betrifft die partielle Erwärmung.
    Daneben ist in der Verfahrensstufe II der Beginn des Pressvorgangs dargestellt; der Hydraulikkolben des Presszylinders 91 wird in Pfeilrichtung nach unten verfahren.
    Die Verfahrensstufe III zeigt das Fertigpressen bei max. Druck; aus dem Rohling 100 ist der Pressling 100' geworden.
    In der Verfahrensstufe IV verfährt die Matrize wieder in ihre Ausgangsposition, während eine Kühlzange 50, die mit einer Wasser- und einer Luftzufuhr ausgerüstet ist, die erwärmte Partie des Presslings 100' abkühlt.
    Die Kühlzange 50 ist in an sich bekannter Weise aufgebaut und weist eine Gelenkführung 51 auf, welche zum Roboter 60 kompatibel ist. Eingezeichnet sind zudem eine Mediumzufuhr 52, ein Mediumabfluss 53 sowie das zugeführte Kühlmedium M und das abgesaugte Medium M'.
    In Fig. 5 ist eine bevorzugte Variante einer induktiven Heizung 30 mittels einer Induktionsspule 30' dargestellt, welche über einen dreiphasigen Frequenzwandler 70, charakterisiert durch die Phasen R, S, T, gespeist ist. Die Netzfrequenz ist mit fN bezeichnet, die durch ein Frequenzsteuerungs-Signal SV kontrollierte variable Frequenz fV ist bei konstantem Strom iK der Induktionsspule 30' zugeführt.
    Das Frequenzsteuerungs-Signal SV wird vorzugsweise durch eine Programmsteuerung generiert, welche sämtliche Parameter des Rohlings 100 und des zu erzeugenden Presslings 100' bei der Steuerung des Erwärmungsvorgangs berücksichtigt.
    Fig. 4 und 5 zeigen deutlich, dass das erfindungsgemässe Verfahren für eine Serienfertigung von Bauteilen sehr geeignet ist und deren Gestehungskosten - aufgrund der erzielten hohen Umformgrade - beträchtlich reduziert bzw. Nachbearbeitungsvorgänge verkürzt und Materialeinsparungen erbringt.
    Durch die vorgängig dargestellte Einflussnahme auf das Verfestigungsverhalten mit Hilfe eines vorbestimmten Temperaturprofils wird der lokale Umformgrad an die gewünschte Umformung angepasst, bzw. lässt sich optimieren. Es lassen sich somit Werkstücke herstellen, die trotz unterschiedlicher Formänderungen eine homogene Verfestigung aufweisen.
    Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass aus einem einfachen Rohling, ohne Vorformen bzw. ohne eine zusätzliche Matrize, reproduzierbare rotationssymmetrische Raumformen erzielbar sind.
    Mittels einer axialen Stauchkraft und über das vorgewählte Temperaturprofil eingestellte lokale Formänderungswiderstände, können diese gewünschten Raumformen geschaffen werden.- Die Matrize und der Stempel haben einzig eine Zentrier- und Kalibrierfunktion.
    Werkstofftechnisch betrachtet, wird das erforderliche Profil unterschiedlicher Formänderungswiderstände über unterschiedliche Fliess-Spannungen erzielt.
    Es hat sich gezeigt, dass durch eine entsprechende Temperaturverteilung über einer Querschnittsfläche von hohlen Rohlingen Dorne (Innenkörper) überflüssig sind, da die erzielte Verteilung der Formänderungswiderstände über dem Querschnitt die Fliessrichtung des Werkstoffs exakt bestimmt.

    Claims (5)

    1. Verfahren zur Massivumformung von axial symmetrischen metallischen Bauteilen durch Fliesspressen an einem partiell über die Rekristallisationstemperatur erwärmten Werkstück (100), wobei dieses endseitig in einer Matrize (20) geführt ist und durch einen Press-Stempel (10) fliessgepresst wird, dadurch gekennzeichnet, dass einzig der Bereich des durch Querfliessen zu bildenden Bundes über die Rekristallisationstemperatur erwärmt wird, wobei diese Temperatur während des Umformvorganges aufrecht erhalten bleibt, dass dabei in einem durch die Matrize (20) und den Stempel (10) gebildeten axialen Zwischenraum das Formänderungsverhalten des Werkstoffs durch eine gezielte Wärmeeinwirkung an die Umformung angepasst wird, so dass durch eine simultane Warm- und Kaltumformung partielle Kalt- Verfestigungen entstehen und ein querfliessgepresster, axial symmetrischer Bund mit einem Umformgrad des Werkstoffs grösser als 1,0 resultiert.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest während des Erwärmens des Werkstücks (100) die neben dem Bereich maximaler Umformung vorhandenen Bereiche gekühlt werden.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (100) nach dem Fliesspressen partiell und kontrolliert abgekühlt wird.
    4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur gezielten Wärmeeinwirkung eine Induktionsspule (30) eingesetzt wird, welche durch einen konstanten Strom (ik), während vorgegebener Zeit, die Wärmeeinwirkung auf das rohe Bauteil (100) steuert.
    5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine variable Frequenz (fv) die Eindringtiefe der Wärmeeinwirkung gesteuert wird.
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