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Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer von Press-, Zieh-, Stanz-und ähnlichen Werkzeugen aus Metallen oder Legierungen.
In Press-, Zieh-, Stanz-und ähnlichen Werkzeugen entsteht während der Benutzung eine ähnliche Spannungsverteilung wie in kaltgezogenem Material. So entsteht in einem Dorn, der zur Aufweitung eines Arbeitsgutes verwendet wird, z. B. in einer Pilgerstange, infolge der hohen Beanspruchung des Dornes oder Stempels durch die Reibungskräfte an der Aussenhaut eine ähnliche Spannungsverteilung wie in kaltgezogenen Rundstangen. Aus dem gleichen Grunde entstehen in der nach der Bohrung zu gelegenen Zone einer Ziehdüse Zugspannungen.
Eine hohe Zugspannung in den Aussenzonen stellt als latente Vorbelastung mitunter eine grosse Gefahr für die Sicherheit dar, da durch Zusammenwirken von Betriebsbeanspruchung und inneren Spannungen unter Umständen leicht die Festigkeit der Randzone erreicht wird. Nicht selten sind die Fälle, bei denen eine aus Eigenspannungen und äusseren Belastungskräften zusammengesetzte Beanspruchung die Zerstörung eines Werkzeuges herbeigeführt. Bei einigen Herstellungsverfahren besteht beim Zurückziehen des Dornes oder Stempels eine erhöhte Bruchgefahr, da der Dorn ausser den unter Umständen hohen inneren Zugspannungen im Rande noch hiebei zusätzlich auf Zug beansprucht wird.
Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer von Werkzeugen. bei welchen im Laufe des Arbeitsganges Eigenspannungen erzeugt werden. Wird ein derartiges Werkzeug von höheren Temperaturen beschleunigt abgekühlt, so kann in dem Werkzeug ein Eigenspannungszustand erzeugt werden, der dem Eigenspannungszustand entgegenwirkt, der beim Betrieb hervorgerufen wird, wie an dem nachfolgenden Beispiel erläutert wird. Pilgerstangen zeigen nach einer gewissen Betriebsdauer einen Eigenspannungszustand, der durch Zugspannungen im Rande und Druckspannungen im Kern gekennzeichnet ist. Fig. 1 der Zeichnung gibt die versuchsmässig ermittelte Verteilung der Längsspannungen in einer derartigen Stange wieder.
Die Figur zeigt die Verteilung in nur einer Querschnittsfläche, da sich die Spannungsverteilungen in den Querschnittshälften eines Körpers mit achsensymmetrisehem Eigenspannungszustand spiegelbildlich gleichen.
Schreckt man nun die Pilgerstange vor Inbetriebnahme von etwa 600 C in Wasser ab, so entsteht im Querschnitt ein Eigenspannungszustand, der durch Zugspannungen im Kern und Druckspannungen
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gestellt wurden.
Während des Pilgerns werden nun im Kern der Stange Druckspannungen und im Rande Zugspannungen hervorgerufen. also Spannungen, die den durch das vorangegangene beschleunigte Abkühlen in dem Dorn entstandenen Eigenspannungen entgegenwirken. Beim Pilgern entstehen also noch nicht sofort hohe Zugspannungen im Rande der Stange, sondern es tritt zuvor eine Verminderung der Vorspannung ein. Fig. 3 gibt die Verteilung der Längsspannungen in dem nach Fig. 2 abgeschreckten Pilgerdorn nach der gleichen Betriebsdauer wie der Dorn in Fig. 1 wieder. Die nach dieser Betriebsdauer vorhandenen Eigenspannungen sind also nach Anwendung des vorliegenden Verfahrens wesentlich geringer als in dem Dorn ohne die Abschreckvorbehandlung.
Da anzunehmen ist, dass bei gewissen Herstellungsverfahren eine dauernde Vergrösserung des Eigenspannungszustandes mit fortschreitender Betriebsdauer des Werkzeuges eintritt. so wird also, gleiche Arbeitsweise vorausgesetzt. der Eigenspannungszustand, der bei einem bestimmten Zeitpunkt in einem nicht vorbehandelten Werkzeug erreicht ist, bei einem durch beschleunigtes Abkühlen von
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höheren Temperaturen vorbehandelten Werkzeug erst zu einem späteren Zeitpunkt eintreten. Die Lebensdauer des Werkzeuges wird mithin erhöht.
Die Betrachtung, die hier für ein dornartiges Werkzeug durchgeführt ist, lässt sich natürlich auch auf andere Werkzeugformen, z. B. Ziehringe, Matrizen, Gesenke u. a., übertragen.
Bei einem Ziehring, der nach dem Arbeiten an der Innenbohrung Zugspannungen aufweist, müsste also zur Erzeugung einer Druckvorspannung in der Umgebung der Bohrung nur die Wandung der Bohrung abgeschreckt werden.
Unter beschleunigter Abkühlung, die zur Erzeugung der Vorspannung angegeben wurde, wird schnelle Abkühlung oder Abschrecken eines metallischen Körpers von einer beliebigen Temperatur in irgendeinem Abschreckmittel zur Erzeugung eines Eigenspannungszustandes verstanden.
Gewöhnlich versteht man unter Abschrecken von Stählen eine beschleunigte Abkühlung von Temperaturen oberhalb Al oder oberhalb A ; zur Härtung. Es sei darauf hingewiesen, dass die hier angewendete Vorbehandlung nicht die Änderung irgendwelcher Festigkeitseigenschaften bezweckt, sondern lediglich die Erzeugung einer günstigen Vorspannung. Zur Erreichung dieses Zweckes wird bei Stählen eine Abschreckung von Temperaturen unterhalb Al genügen.
Die Erfindung kann ausser bei Werkzeugen, die aus Stahl oder Stahllegierungen bestehen, vorzugweise bei solchen Werkzeugen angewendet werden, die aus Bronze-oder Messinglegierungen hergestellt sind, z. B. bei Ziehringen und Gesenken für leicht zu verformende Teile. Solche Werkzeuge werden gemäss der Erfindung von einer unter 700 C, z. B. zwischen 500 und 700 C liegenden Temperatur abgeschreckt.
Die günstige Wirkung des Verfahrens kann noch erhöht werden, wenn ein Werkzeug nach einer angemessenen Arbeitsdauer dem Arbeitsprozess entzogen und erneut von höheren Temperaturen beschleunigt abgekühlt wird, um dann wieder, mit einer Vorspannung versehen, dem Arbeitsgang zugeführt zu werden. Die Wiederholung der Behandlung ist dann zu empfehlen, wenn die Beanspruchungen, denen die Randzonen der Werkzeuge bei ihrer Verwendung unterworfen sind, zu einer Überschreitung der Streckgrenze führen, so dass die gemäss der Erfindung vorgesehene Vordruckspannung verschwindet ; z. B. empfiehlt es sich, die Abschreckbehandlung bei einem Pilgerdorn zu wiederholen, wenn etwa die Hälfte der Arbeitsgänge ausgeführt worden ist, bei der normalerweise ein Unbrauchbarwerden eintreten würde.
Es ist bereits früher vorgeschlagen worden, Werkzeuge unterhalb oder oberhalb des Al-Punktes anzulassen, um die vor dem Gebrauch der Werkzeuge eventuell schon vorhandenen inneren Spannungen zu beseitigen. Hiebei wurden die Werkzeuge nach der Behandlung langsam abgekühlt. Eine Vorspannung, die den Betriebsbeanspruchungen entgegenwirkt, wird durch eine derartige Wärmebehandlung nicht erzeugt. Zur Erreichung des mit der Erfindung angestrebten Zieles ist vielmehr eine beschleunigte Abkühlung erforderlich.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer von Press-, Zieh-, stanz-und ähnliehen Werkzeugen aus Metallen oder Legierungen, bei welchen im Laufe des Arbeitsganges Eigenspannungen entstehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeuge vor Inbetriebnahme von höheren Temperaturen-bei Stählen unterhalb Al - beschleunigt abgekühlt werden, u. zw. derart, dass ein Eigenspannungszustand entsteht, der den bei der Benutzung entstehenden Eigenspannungen entgegenwirkt.