SE454703B - Forfarande for att paverka hallfastheten hos ett foremal av metall genom kalldeformering - Google Patents

Description

'4s4 705 2 let kalldeformeras i en kammare genom att påverkas av minst en rörlig vägg hos kammaren, som står i kontakt med en yta hos föremålet, så att en kontinuerlig axiell sammanpressande kraft utövas på föremålet, varvid innerväggarna hos kammaren defi- t nierar ytterdimensionerna hos föremålet efter denna bearbet- ning samt föremålet deformeras så att föremålet utfyller kam- maren vid slutet av sammanpressningsoperationen under samtidig minskning av föremålets längd och bibehållande av dess volym, varvid det förformade föremålet anordnas i kammaren med åtminstone en del av föremålets periferi anordnad med mellan- rum till åtminstone en del av de väggar, som definierar kamma- ren före anbringandet av den kontinuerliga tryckkraften på föremålet. Förfarandet kännetecknas av att det förformade föremålets längd är väsentligt större än dess tvärdimensioner och att förhållandet mellan det förformade föremålets längd och dess tvärdimensioner väljes så att det förformade före- målet under inverkan av tryckkraften deformeras genom knäck- ning, varvid dimensionerna hos utrymmet mellan det förformade föremålet och väggarna hos kammaren väljes genom dimensione- ring av det förformade föremålet beroende på den bearbetninga- grad som erfordras för erhållande av de önskade egenskaperna hos föremålets olika delar.

Den rörliga väggen hos kammaren pålägger en kontinuerlig tryckkraft av tillräcklig storlek tillräckligt långsamt, så att sträckgränsen hos det förformade ämnet gradvis ökar. Sam- tidigt ökar kompressionskraften gradvis, när sträckgränsen ökar tills hela omkretsen av ämnet står i kontakt med väggarna av kammaren och uppnår den önskade slutliga formen vid slutet av kompressionsslaget.

Beskrivning av ritningarna Figur 1 är en sektion av ett slutet formverktyg innehållande ett ämne.

Figur 2 är en vy av ämnet enligt figur l sedan detta har Qs formats. 3 454 703 Figur 3 är en sektion av ett slutet formverktyg innehållande ett annat ämne.

Figur 4 är en vy av ämnet enligt figur formats.

Figur S är en sektion genom ett slutet de ett annat ämne.

Figur 6 är en vy av ämnet enligt figur formats.

Figur 7 är en sektion genom ett slutet de ett annat ämne.

Figur 8 är en vy av ämnet enligt figur formats.

Figur 9 är en sektion genom ett slutet de ett annat ämne. 3 sedan detta har formverktyg innehållan- f 5 sedan detta har formverktyg innehållan- 7 sedan detta har formverktyg innehållan- Figur 10 är en vy av ämnet enligt figur 9 sedan detta har formats.

Figur ll är en sektion genom ett slutet lande ett annat ämne.

Figur 12 är en vy av ämnet enligt figur formats.

Figur 13 är en sektion genom ett slutet lande ett annat ämne.

Figur l4 är en vy av ämnet enligt figur formats. formverktyg innehål- ll sedan detta har formverktyg innehål- l3 sedan detta har Figur 15 är ett diagram över hårdheten mot kallbearbetningen i procent. 454 703 4 Figur 16 är ett diagram över hârdheten mot förändringen av tvärsektionsarean i procent.

Figur 17 är ett diagram över kraften mot ämnets diameter.

Figur 18 är ett diagram över kraften mot den procentuella för- ändringen av tvärsektionsarean.

Figur 19 är en perspektivvy av ett ämne och visar skruvnings- instabilitet.

Detaljerad beskrivning Med hänvisning till ritningarna i detalj, på vilka samma nummer anger samma element, visas på figur l en del av en press 10 med en sluten kammare 12, som vid dess ändar definie- ras av väggar 14 och 16. Minst en av väggarna, exempelvis väggen 16, är rörlig mot och bort från väggen 14. I kammaren 12 finnes anordnat ett ämne 18 av en metall som skall kall- bearbetas. Ämnet 18 kan vara aluminium, lågkolhaltigt stål, legeringar eller andra metaller. Ämnet 18 är förformat med cylindrisk form. Kammaren 12 defi- nierar den önskade perifera slutliga formen hos ämnet och denna är i denna utföringsform likaledes en cylinder. Väggen 16 står i beröring med en ändyta av ämnet 18. som är vid rums- temperatur och pålägger en kontinuerlig kompressionskraft av tillräcklig storlek för att tvinga det förformade ämnet 18 att deformeras och fylla kammaren 12 vid slutet av kompressions- slaget. Ämnet 18 minskar samtidigt sin längd med bibehållande av dess volym, så att det erhåller en slutlig form som visas på figur 2 och betecknas 18'. Kompressionskrafterna från väg- gen 16 pålägges tillräckligt långsamt, så att sträckgränsen hos ämnet 18 ökar gradvis. Detta kräver i sin tur att kompressionskrafterna gradvis ökar i storlek, när sträckgrän- sen ökar tills hela omkretsen av ämnet 18 står i kontakt med väggarna hos kammaren 12 och uppnår den önskade slutliga for- men vid slutet av kompressionsslaget, såsom visas på figur 2. 454 703 5 I så gott som alla konstruktionsproblem, som uppkommer i reella situationer, strävar ingenjörer och vetenskapsmän efter konstruktioner, som förhindrar belastning av pelare eller konstruktionsdelar av pelartyp till nivåer vid vilka knäckning kan uppträda. Sådan knäckning av pelare har varit välkänd under 200 âr.

Matematiska kriterier för knäckning av pelare utvecklades först av L. Euler 1744 och den bestämmande ekvationen har sedan dess varit känd såsom Eulers ekvation. Den anger helt enkelt att en pelare måste uppnå en viss längd, innan den kan böjas av sig själv eller en pâlagd vikt.

Eulers formel har utstâtt tidens provning. Från början angavs denna såsom (l) FL2 > 4¶QB, där F = belastning i pund (pound) L = längd i tum (inch) B = böjstyvhet = EI(pund-tum2), där E = Youngs elasticitetsmodul (pund/tumz) I = tröghetsmomentet runt böjaxeln (tum4).

I dess nuvarande form anges ekvation (2) såsom WCR = Kc 3% L där WCR = kritisk last, utöver vilken knäckning uppträder, och KC = en konstant som beror på sättet för stöd och belast- ning. (l) A.E.H. Love, Mathematical Theory of Elasticity, Dover Publications 1974 (2) Alexander Blake, Practical Stress Analysis in Engineering Design, Marcel Dekker, Inc. 1982, 1 gångsdiameter av 3,8 mm i pressen och kompressionskraft pâ- ' lades axiellt. - deformationen visade det sig, att deformationen icke var en É deformation åstadkoms med tryckspänningar. 5 beteckning definierar jag denna spiraldeformatíonscykel såsom 454 703 6 Värdet av KC för betingelser med inspänd eller stödd ände och med axiell last anges vara (2) 39,48, som är exakt lika med 4¶2, så att =41r2§_I L2 WcR är exakt Eulers ekvation.

Det är ett faktum som understrykes i litteraturen, att den kritiska knäckningslasten WCR är proportionell mot elastici- tetsmodulen E, tröghetsmomentet I hos sektionen och omvänt proportionell mot pelarens längd i kvadrat 1/L2 samt är obe- roende av sträckgränsen hos materialet. Det understrykes vidare att kritisk knäckning uppträder vid spänningar under det enaxliga sträckgränsvärdet.

Jag har helt överraskande funnit, att den grad av deformae tionskraft, som erfordras för àstadkommande av den önskade slutliga geometrin, och sålunda de mekaniska egenskaperna, kan åstadkommas genom utnyttjande av de element av pelarknäckning, som läroböcker i hållfasthetslära definierar såsom förbjudna zoner. Såsom exempel anordnades ett aluminiumprov med en ut- Efter sammanpressning ca 25 % av den totala i likformig sammanpressning eller kompression. I stället upp- trädde deformation genom skenbar knäckning tills verktygs- I s x z väggens motstånd uppnåddes, varefter provstycket fortsatte até É deformeras på ett spiralliknande sätt med förhållandevis lik-' § formig stigning från ände till ände.

Se figur 19. Slutlig Såsom en förenklaé vridningsinstabilítet följt av kompression tills slutlig geo-” metri uppnås.

Enligt ett typiskt exempel var provstycket l8 utfört av alumi- nium av typ 1100 med en längd av 25,4 mm och en diameter av 454 703 7 5,08 mm och provstycket 18' hade en längd av 16,13 mm och en diameter av 6,38 mm. Hårdheten varierade längs längden av provstycket 18' med hârdheten fortskridande från ca 51 DPH (diamantspetshårdhet) vid dess ändar till ca 47 DPH vid dess mitt.

På figur 3 visas ett annat provstycke 20 i kammaren 12. Prov- stycket 20 hade mindre diameter än provstycket 18 och bildade provstycket 20' efter sammanpressning och kallbearbetning.

Effekten på hårdheten var väsentligen densamma som den som uppnåddes i samband med figurerna l och 2. När den procen- tuella kallbearbetningsgraden ökade, ökade likaledes hård- heten. Se figur 15.

På figur 5 visas ett likartat provstycke 22 i kammaren 12.

Diametern av provstycket 22 var mindre än diametern av prov- styckena 18 och 20. Efter sammanpressning hade det erhållna provstycket 22' hårdheter varierande längs dess längd såsom anges på figur 6. Provstycket 22 hade en nominell längd av 25,4 mm och reducerades så att provstycket 22' hade en längd av 9,32 mm. Diametern hos provstycket 22 var 3,81 mm och ökade så att provstycket 22' hade en diameter av 6,38 mm.

Provstycket behöver icke vara cylindriskt. Olika effekter erhålles, när formen hos provstycket varieras. Såsom visas på figur 7 är, när ett provstycke 24 i form av en stympad kon sammanpressas i kammaren 12, det erhållna provstycket 24' en cylinder men dess hårdhet ökar gradvis i en riktning från dess övre ände till dess nedre ände på figur 8.

Pâ figur 9 visas en likartad press 26 med en rörlig vägg 28 och en sluten kammare 30. Kammaren 30 har en cylindrisk del 32 och en avsmalnande del 34. Provstycket 36 har en cylind- risk del 33 och en avsmalnande del 35. Längden av den avsmal- nande delen 34 av kammaren motsvarar längden av den avsmalnan- de delen 35 hos provstycket 36. Efter sammanpressning hade provstycket 36' hârdhetsvärden såsom anges på figur 10. 454 703 8 Typiska dimensioner hos provstycken 36, 36' är följande.

Provstycket 36 hade en diameter av 5,08 mm vid dess cylindris- ka del 33 och en längd av 19,05 mm. Den avsmalnande delen 35 av provstycket 36 hade en längd av 19,05 mm. Den avsmalnande delen 35' av provstycket 36' hade en längd av 9,53 mm och en diameter av 6,38 mm. Längden av den avsmalnande delen 35' av provstycket 36' var 17,48 mm. Det kan observeras att hârd- heten hos den cylindriska delen 33' av provstycket 36' förblir väsentligen konstant, under det att hârdheten av den avsmal- nande delen 35' hos provstycket varierar med minskning, ökning och därefter minskning mot spetsen, där den minimala graden av kallbearbetning ägt rum och till följd härav den minimala hârdheten. I samband med figurerna 9 och 10 observerades att alla diametrar ökade med samma procentuella grad under samman- pressningen. ' Enligt figur ll har pressen 38 en kammare, som definieras av cylindriska delen 40 och koniska delen 42. Kammaren är till- sluten med en rörlig vägg 44. I den cylindriska delen 40 finnes ett provstycke 46 av aluminium av typ ll00 med i huvud- sak samma diameter. Kallbearbetningen av provstycket 46 om- vandlade detta till det koniska provstycket 46'. Hårdheten varierade längs längden av provstycket 46'. vid basen av konen är hârdheten hos provstycket 46' väsentligen densamma som den ursprungliga hârdheten hos provstycket 46. Maximal hårdhet uppträder vid spetsen av provstycket 46'. Eftersom hârdheten vid basen hos konen av provstycket 46' är väsent- ligen densamma som den ursprungliga hârdheten hos provstycket 46, kan provstycket 46' lätt bindas metallurgiskt till någon annan anordning, såsom en stång från vilken provstycket 46 har skurits.

Såsom visas på figur 13 har ett provstycke 48 använts i stäl- let för provstycket 46 i pressen 38. Provstycket 48 är en cylinder av aluminium av typ 1100 med en längd, som är större än längden hos den cylindriska delen 40 och har flata paral- _ lella ändar. Diametern av det cylindriska provstycket 48 är . väsentligt mindre än diametern av den cylindriska delen 40. n, 454 7o3 9 Efter sammanpressning bildas provstycket 48' med en cylindrisk del 50 och en avsmalnande del 52. Den avsmalnande delen 52 ansluter sig till formen av den avsmalnande delen 42 hos kam- maren, under det att den cylindriska delen 50 ansluter sig till formen av den cylindriska delen 40 hos kammaren. Hård- heten längs den cylindriska delen 50 hos provstycket 48' är likformig och större än hos provstycket 48, under det att hårdheten hos den koniska delen 52 ökar från spetsen mot den cylindriska delen 50.

Figur 16 är ett diagram över hårdheten mot den procentuella förändringen av tvärsektionsarean. Kurvan A representerar provstycket 46' och kurvan B representerar provstycket 48'.

Provstyckena skars i halvor och hårdhetsavläsningar gjordes längs längdaxeln. Det kan observeras att kurvorna är mycket nära varandra och på basis av statistiska medelvärden skulle de kunna visas såsom raka linjer. Figur 16 åskådliggör ett förutbestämt samband mellan hårdhet och procentuell förändring av tvärsektionsarean.

Figur l7 åskådliggör sambandet mellan kraften för igångsätt- ning av deformation mot den procentuella förändringen av tvär- sektionsarean, som är ett mått på graden av kallbearbetning.

När den procentuella förändringen av tvärsektionsarean ökar, ökar kraften för igångsättning av deformatíonen gradvis.

Figur 18 åskådliggör att kraften för igångsättning av deforma- tionen gradvis ökar, när provstyckets diameter ökar. Den sistnämnda står i direkt samband med sträckgränsen hos prov- stycket.

Försöksresultat har visat, att det icke finnes någon skillnad, om endast en av eller båda väggarna vid motsatta ändar av kam- maren rör sig. Formningsgraden eller formningshastigheten var icke en väsentlig faktor. Väsentligen identiska resultat er- hölls, när provstycket var anordnat förskjutet i förhållande till kammarens axel jämfört med anordnat längs kammarens axel.

I samtliga fall ökade hårdheten i proportion till kallbearbet- ningen såsom visas på figur 15. 454 703 10 Föreliggande uppfinning underlättar variation av hârdheten på ett förutbestämt sätt på ett förutbestämt ställe längs prov- styckets längdutsträckning. Inga speciella verktyg erfordras för genomförande av föreliggande uppfinning. Uppfinningen kan sålunda genomföras med en konventionell 75 ton enkelverkande hydraulisk press med ett delat verktyg för underlättande av det färdiga arbetsstycket. Föreliggande uppfinning kan mer effektivt och ekonomiskt ge effekter, som tidigare uppnåtts genom sänksmidning och samtidigt ge effekter, som icke kan uppnås genom sänksmidning, exempelvis mycket god ytfinhet, inget skrotfall, noggrant reglerad diameter och längd, bild- ning av stänger med en hård kärna och ett mjukt yttre, fram- ställning av stänger som är koniska med likformiga egenskaper, etC .

Tillvägagångssättet för framställning av en enkel cylinder, exempelvis provstycket l8', är följande. Bestäm den önskade sammanpressade storleken som definieras av D2 och L2. Från ett diagram över Dl/D2 mot brottgränsen väljes Dl såsom er- fordras. Beräkna Ll från konstantvolymformeln: L1 = L2 (nzyz 2 Maskinbearbeta därefter provstycket till Dl och Ll. Samman- pressa därefter provstycket i en sluten kammare såsom beskri- vits ovan.

Föreliggande uppfinning underlättar sålunda konventionell konstruktion eller utformning av kallbearbetning av metaller till en förutbestämd hårdhet och ökar samtidigt dess brott- gräns samt minskar den procentuella förlängningen. Hastig- heten av rörelsen av den rörliga väggen 16 kan variera enligt önskan beroende på hârdheten hos de använda materialen.

Typiska rörelsehastigheter hos väggen 16 är inom området 0,13 mm till 127 cm per minut. De flesta metaller kan bearbe- tas med en hastighet av 7,6 till 25,4 cm per minut. 454 1621" > ll Föreliggande uppfinning kan utformas med andra specifika ut- föringsformer utan avvikande från uppfinningstanken eller dess väsentliga attribut och därför hänvisas till de bifogade patentkraven snarare än till föregående beskrivning för ett angivande av uppfinningens omfång.

Claims (9)

454 703 12 PATENTKRAV

1. l. Förfarande för att påverka hållfastheten och/eller de mekaniska egenskaperna hos ett förformat föremål av metall eller legering, varvid föremålet kalldeformeras i en kammare genom att påverkas av minst en rörlig vägg hos kammaren, som står i kontakt med en yta hos föremålet, så att en kontinuer- lig axiell sammanpressande kraft utövas på föremålet, varvid innerväggarna hos kammaren definierar ytterdimensionerna hos föremålet efter denna bearbetning samt föremålet deformeras så att föremålet utfyller kammaren vid slutet av sammanpress- ningsoperationen under samtidig minskning av föremålets längd och bibehållande av dess volym, varvid det förformade föremå- let anordnas i kammaren med åtminstone en del av föremålets periferi anordnad med mellanrum till åtminstone en del av de väggar, som definierar kammaren före anbringandet av den kon- tinuerliga tryckkraften på föremålet, k ä n n e t e c k n a t av att det förformade föremålets längd är väsentligt större än dess tvärdimensioner och att förhållandet mellan det_förfor- made föremålets längd och dess tvärdimensioner väljes så att det förformade föremålet under inverkan av tryckkraften defor- meras genom knäckning, varvid dimensionerna hos utrymmet mel- lan det förformade föremålet och väggarna hos kammaren väljes genom dimensionering av det förformade föremålet beroende på den bearbetningsgrad som erfordras för erhållande av de önskade egenskaperna hos föremâlets olika delar.

2. Förfarande enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k - n a t därav, att man deformerar ett föremål, som åtminstone delvis är icke-cylindriskt.

3. Förfarande enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n n e ~ t e c k n a t därav, att man använder en tillsluten kammare, som åtminstone delvis är konisk.

4. Förfarande enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t därav, att deformeringen av det för- 454 703 13 . formade föremålet genomföres så att alla tvärdimensioner ökar med samma procentuella värde under sammanpressningen.

5. Förfarande enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t därav, att hastigheten hos den rör- liga väggen är tillräckligt långsam för att bringa föremålet att uppvisa vridningsinstabilitet, när dess tvärdimensioner ökar.

6. Förfarande enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t därav, att hastigheten av den rörliga väggen ligger inom storleksordningen 7,6 till 25,4 cm per minut.

7. Förfarande enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t därav, att deformationen genomföras med bibehållande av i huvudsak den ursprungliga hårdheten vid en ände av föremålet.

8. Förfarande enligt något av patentkraven 1-6, k ä n - n e t e c k n a t därav, att det förformade föremålet ges en storlek och form sådan, att deformeringen ger ett föremål, vars hårdhet varierar längs dess längdutsträckning inom ett förutbestämt intervall.

9. Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k - n a t därav, att areafördelningen hos kammaren längs dess längdaxel varierar från en geometrisk figur till en punkt.