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Verfahren und Vorrichtung zum Schmieden von sprödem Material
Die Erfindung betrifft Verbesserungen in der Technik des Schmiedens spröder Metalle.
Beim Hämmern spröder Metalle, wie von handelsüblichem Beryllium, Wolfram oder einiger Superlegierungen, war es bislang bekannt, dass Fassungs- oder Halteeinrichtungen bestimmter Art während des Schmiedevorganges verwendet werden mussten. In der Vergangenheit bestanden derartige Haltevorrichtungen des öfteren aus einem dicken und kostspieligen Stahlmantel. Eine derartige schwere Ummantelung besitzt indessen zahlreiche Nachteile, wie die einer schlechten Dimensionskontrolle. hoher Kosten und abnehmender Stützfähigkeit mit fortschreitendem Schmiedeprozess. Bei vielen Schmiedevorgängen vermindert sich infolge der Form des zu schmiedenden Gegenstandes der von dieser Art Mantel ausgeübte Zwang am meisten an jenen Stellen, welche besonders stark bearbeitet werden und welche demgemäss die grösste Unterstützung aufweisen sollten.
Ganz allgemein ist Ziel der Erfindung eine Schmiedetechnik für das Schmieden spröder Metalle zu schaffen, welche durch ihre Verbesserung die Notwendigkeit der Verwendung eines üblichen Mantels beseitigt, jedoch eine vollständige und unverminderte Zwangsführung während des Schmiedevorganges schafft.
Insbesondere ist Ziel der Erfindung die Schaffung eines verbesserten Schmiedeverfahrens der oben beschriebenen Art, wobei ein erhitzter Stahlträger zur Herstellung der Zwangsführung verwendet wird, welcher Träger durch den Schmiede Vorgang gleichzeitig mit und durch die Deformation des zu schmiedenden Metalls verformt wird.
Gegenstand der Erfindung ist weiters die Schaffung eines verbesserten Schmiedeverfahrens, bei welchem das zu schmiedende Metall als eine unter Druck stehende Flüssigkeit wirkt, die ihrerseits den heissen Stahlträger verformt, wobei der letztere die Wirkung eines plastischen Gesenkteiles liefert, welcher eine fortschreitende Verformung im Schmieden nur dann gestattet, wenn der darauf ausgeübte Kompressionsdruck die elastische Grenze des erhitzten stählernen Trägerteiles überschreitet.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten Verfahrens, welches ein Schmieden spröder Metalle, wie beispielsweise Beryllium, bei verminderter Temperatur ermöglicht, so dass die abgegebenen Produkte, wie der durch Lufteinwirkung entstandene Hammerschlag, die Berylliummetalldämpfe und die Berylliumoxyddämpfe, welche potentiell toxisch sind, so gering sind, dass sie innerhalb der Sicherheitsgrenzen liegen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung von Verbesserungen in der Technik des Schmiedens spröder Metalle, die es gestatten, dass die Teile in wirtschaftlicher Weise unter Einhaltung enger Dimensionswerte und mit guter Oberflächenbeschaffenheit geschmiedet werden können und welche eine Kontrolle der Oberfläche und gewünschtenfalls ein Konditionieren zwischen den Schmiedevorgängen gestatten.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung zur Durchführung einer wirtschaftlichen Ausnutzung des verbesserten Verfahrens.
Mit den obengenannten und weiteren in Betracht kommenden Zielen besteht die Erfindung in der Verbesserung der Schmiedetechnik spröder Metalle mit allen ihren Teilen und Schritten sowie der Kombination von Teilschritten, wie in den Ansprüchen genannt sowie aller Äquivalente hievon.
In den Zeichnungen, welche einige beispielsweise Ausführungsformen der verbesserten Vorrichtung und des Verfahrens zeigen, bedeuten gleiche Bezugsziffern gleiche Teile in allen Darstellungen.
Fig. l ist eine Darstellung im Vertikalschnitt, die Ober- und Untergesenk in offener Stellung zusammen mit einem zylindrischen Stahlträgerteil zeigt, wobei die Bestandteile in der Ausgangsstellung für
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Zustand nach der Deformation des Materials zu einem Hohlzylinder mit einem geschlossenen Ende zeigt ; aus dieser Darstellung ist gleichfalls der verformte Stahlträger, wie er nach Beendigung des Schmie- devorganges aussieht, zu entnehmen. Fig. 3 ist eine Darstellung im Vertikalschnitt einer andern Ausführungsform der Apparatur, welche die Ober- und Untergesenkteile vor der Einwirkung auf einen festen Metallkörper zeigt, welcher in eine von der Fig. 2 verschiedene Form geschmiedet werden soll.
Fig. 4 ist eine Ansicht im Vertikalschnitt. welche die Stellung der Teile von Fig. 3 nach Beendigung des Schmiedevorganges zeigt. Fig. 5 ist eine Darstellung im Vertikalschnitt, welche eine weitere Form einer Schmie- deapparatur zeigt, die zur Einwirkung auf einen festen zylindrischen Körper eines Materials, wie Beryllium, vorbereitet ist, um es zu einem flachen pfannkuchenförmigen Körper zu schmieden. Fig. 6 ist eine Darstellung des geschmiedeten Körpers und des umgebenden Trägerteiles vor der Trennung, nachdem auf diese die Ober-und Untergesenke der Fig. 5 eingewirkt haben.
Die Zeichnungen zeigen drei Ausführungsformen einer Apparatur zur Durchführung des verbesserten Verfahrens. Die Form der Gesenke und die Form der Apparatur im einzelnen kann natürlich je nach der gewünschten Form des endgültigen Schmiedestückes variieren. Die Technik ist anwendbar für das
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bestandteile enthalten), oder anderer Metalle oder Materialien, welche spröde sind und kann dazu verwendet werden, ein solches sprödes Material in jede gewünschte Richtung von vertikal zu horizontal zu schmieden, wodurch es möglich ist, einen Metallfluss von den Aussenteilen des Rohlings zur Mitte oder von der Mitte zu den Aussenseiten, oder aber auch sowohl von Mitte und Aussenteilen zu Zwischenabschnitten, wenn erforderlich, zu verursachen.
Es ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung, dass das Schmieden des Materials bei verminderten Temperaturen durchgeführt werden kann. Im Falle von Beryllium kann ein Schmieden unter den Bedingungen des vorliegenden Verfahrens mit Erfolg bei einer Temperatur des Berylliums bis hinab zu etwa 2500 C vorgenommen werden. Obwohl das Schmieden üblicherweise vorgenommen wird bei einer Berylliumtemperatur im Bereich von etwa 250 bis 8000 C, je nach der Art der Verformung, der Grösse des Schmiedekörpers, des Ausmasses an Verformung und den Eigenschaften des Metalls, ist es nichtsdestoweniger durchführbar Beryllium nach dem gegenwärtigen Verfahren bei Temperaturen über etwa 8000 C zu schmieden. Dies ist jedoch im allgemeinen unerwünscht, da die niedrigeren Temperaturen die Toxizitätsprobleme, wie nachstehend ausgeführt, vermindern.
Im Falle von Wolfram kann das Schmieden nach dem erfindungsgemässen Verfahren mit Erfolg bei einer Wolframtemperatur bis hinab zu etwa 10000 C vorgenommen werden, vorzuziehen ist jedoch ein Bereich zwischen etwa 1000 und 19500 C. Obwohl die Temperatur des Wolframs auch etwa 19500 C überschreiten kann ist dies im allgemeinen unerwünscht, da hohe Temperaturen die Oxydation erhöhen, und dies zu einem unerwünschten Gewichtsverlust führt. Im Falle des Molybdäns kann das Schmieden nach dem erfindungsgemässen Verfahren bei einer Molybdäntemperatur bis herab zu etwa 8000 C vorgenommen werden, erfolgt jedoch vorzugsweise im Bereich von etwa 800 und 14500 C.
Die Temperatur des Molybdäns kann auch etwa 14500 C überschreiten, doch ist dies im allgemeinen unerwünscht, da dies das Oxydationsausmass erhöht, was zu einem unerwünschten Gewichtsverlust führt. Für gewisse Arten von Berylliumschmiedestücke mag der obere Teil des bevorzugten Temperaturbereiches, wie etwa 725 - 7750 C, angewendet werden, um den Vorteil verminderter Schmiededrücke ausnutzen zu können. Bisher sah man es als wünschenswert an, bei der Verwendung dicker Stahlmäntel beim Schmieden von Metallen, wie Beryllium, Temperaturen im Bereich von etwa 850 bis 11000 C zu verwenden, wogegen jedoch gewisse Einwände zu machen sind.
Dies gilt insbesondere im Falle von Beryllium, welches Nebenprodukte liefert, wie der durch Lufteinwirkung entstandene Hammerschlag, Berylliummetalldämpfe und Berylliumoxyddämpfe, welche bei höheren Temperaturen toxisch sind und so die umgebende Atmosphäre verunreinigen, wenn die üblicherweise verwendeten Stahlmäntel brechen sollten. Mit dem vorliegenden Verfahren ist es möglich Beryllium bei einer Temperatur zu schmieden, bei welcher die abgegebenen Produkte, wie der durch Lufteinwirkung entstandene Hammerschlag, Berylliummetalldampf und Berylliumoxyddampf, welche potentiell toxisch sind, derart gering sind, dass sie innerhalb der Sicherheitsgrenzen bleiben.
Betrachtet man zunächst die in den Fig. l und 2 dargestellte Apparatur, so zeigt diese das Bearbeiten einer Form zur Herstellung eines hohlen zylindrischen Schmiedekörpers, welcher an einem Ende geschlossen ist. In der genannten Figur bedeutet 10 den Obergesenkteil mit einem herabhängenden Stempel 11.12 bezeichnet ein Untergesenk mit einem Gesenkhohlraum 13, dessen Innendurch-
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Bei Durchführung des Verfahrens wird bei von Untergesenk entferntem Stempel ein fester Rohling 14 des zu schmiedenden Metalls, wie Beryllium, in die Vertiefung eingebracht. In dem gezeigten Beispiel ist der Rohling zylindrisch und sein Aussendurchmesser ist im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser der Vertiefung 13, wie in Fig. l dargestellt.
Dieser Rohling wurde zuvor auf die erforderliche Temperatur erhitzt, wie nachstehend beschrieben wird. Ein Metallstützteil 15, vorzugsweise aus Stahl, in Form eines Hohlkörpers wird verwendet, welcher in der Ausführungsform von Fig. 1 von gleicher Länge wie der Stempel 11 ist und eine Wand hat, deren Stärke ausreichend ist, um den zylindrischen Raum zwischen Stempel und Wand der Vertiefung 13, wie in Fig. l dargestellt ist, zu füllen. Der metallische Stützteil 15 befindet sich in erhitztem Zustand auf einer Temperatur, die grösser ist als jene des Berylliums 14.
Die Apparatur von Fig. 1 kann mit einer mechanischen Presse, hydraulischen Presse oder einem Hammer verbunden sein, welche in der Lage sind, eine relative Bewegung zwischen Ober- und Untergesenk 10 und 12 herbeizuführen und so die Teile aus der Stellung der Fig. 1 in jene der Fig. 2 zu bringen.
Während dieses Schmiedevorganges wird das Beryllium 14 an den Seiten und am Boden durch den Untergesenkteil 12 und am oberen Ende durch das untere Ende des Stempels 11 und durch das untere Ende der Stahlstütze 15 begrenzt. Wenn die Spitze des Stempels 11 sich nach abwärts in die Stellung der Fig. 2 bewegt, verdrängt sie etwas Beryllium, welches als komprimierte Flüssigkeit wirkt und seinerseits den heissen Stahlteil 15 in die in Fig. 2 gezeigte Endstellung deformiert, wo er leicht entfernt werden kann.
Das stählerne Stützglied 15 der Fig. l wirkt tatsächlich als eine plastische Gesenkkomponente. die einewesentliche Berylliumverformung nur dann fortzuschreiten gestattet, wenn der auf das Beryllium vom Stempel 11 und stählernem Stützteil 15 ausgeübte Druck die elastische Grenze des'Stützgliedes überschreitet. Im allgemeinen übt der heisse Stahlteil 15 einen Druck auf jene Teile der Fläche des erhitzten Berylliumrohlings aus, welche nicht in direktem Kontakt mit dem Schmiedegesenk stehen.
Wenn das Schmieden mehrere Schläge erfordert, wie durch einen Dampfhammer, kann es zweckmässig sein, dass das Stützglied 15 am Stempel 11 mittels einer Nase 11', wie in Fig. 2 gezeigt, befestigt ist, die in eine Kerbe 11"eingreift.
Nach Beendigung des Schmiedevorganges von Fig. 2 wird der Stempel 11 hochgezogen, der flachgedrückte Stahlteil 15 entfernt und das fertige Schmiedestück 14'in Form eines Hohlzylinders, der an einem Ende geschlossen ist, aus der Vertiefung des Untergesenkes entnommen. Als Beispiel wurde das Beryllium 14 der Fig. l auf eine Temperatur von etwa 7600 C erhitzt, wobei der Stützteil 15 aus AISI 1020 Kohlenstoffstahl bestand, welcher auf eine Temperatur von etwa 11500 C erhitzt worden war.
Die genaue Temperatur des Stützgliedes kann je nach dem verwendeten Material verändert werden. Weiters kann der vom Stützteil ausgeübte Widerstand verändert werden, indem seine Temperatur oder das Material, aus welchem er besteht, verändert werden.
Die Fig. 3 und 4 zeigen, wie es durch eine etwas abgeänderte Bearbeitungsweise möglich ist, einen festen Schmiedekörper anderer Dimensionen und Form aus einem festen Rohling zu erhalten. In dieser Ausführungsform der Vorrichtung gibt es einen Stempel 111, welcher von einem Obergesenkteil entsprechend dem Gesenkteil 10 der Fig. l getragen wird, welcher Stempel in den Hohlraum 113 in einem Bodengesenkteil 112 einführbar ist, wobei dieser Gesenkteil einen Ausdehnungsraum 130 besitzt, der von geringerem Durchmesser ist als der Hohlraum 113, der seinerseits in Verbindung steht mit einem unteren Hohlraumteil 131 von vergrössertem Durchmesser und der Boden des Untergesenkes durch eine entfernbare Platte 132 verschlossen wird.
Bei Durchführung des verbesserten Verfahrens mit dieser Vorrichtung wird zunächst im Untergesenkhohlraum ein festes Stahlstützglied 115 eingebracht, welches einen Durchmesser besitzt, der gleich dem Durchmesser des Hohlraumteiles 130 ist und welcher eine Länge besitzt, die sich vom Boden des Hohlraumteiles 113 zum oberen Ende der Bodenplatte 132 erstreckt. Dies ergibt einen ringförmigen Verformungsraum 133, welcher den unteren Teil des Stützgliedes umgibt.
Während des Schmiedens bewegt sich der Stempel 111 von der Stellung der Fig. 3 in die Stellung der Fig. 4 und verursacht so eine Verformung des heissen Metalls, wie des Berylliums 114, in den Zustand der Fig. 4. in welchem es den Teil 130 sowie den erweiterten Teil 134 des Gesenkhohlraumes erfüllt und so einen festen Schmiedekörper von der Form, wie in Fig. 4 im vertikalen Schnitt gezeigt, bildet. Während dieses Verfahrens wird das Beryllium 114 am Boden durch den heissen Stahlteil 115 begrenzt, wobei das unter Druck stehende Beryllium in Richtung einer Deformation des Stützteiles wirkt und diesen genannten plastischen Stützteil zur Gänze in den Gesenkhohlraum 131 drückt, wo er den ringförmigen Raum 133 der Fig. 3, wie in Fig. 4 gezeigt, erfüllt.
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Nach demSchmieden kann derStempel 111 hochgezogen werden, um eine Entfernung des Schmie- dekörpers nach oben zu ermöglichen, wonach die Platte 132 zur Entfernung des deformierten Stahlgliedes 115 abgenommen werden kann.
Eine weitere Art von Bearbeitung ist in den Fig. 5 und 6 gezeigt. Hier liegt ein erhitzter Festkörper 214 des zu schmiedenden Materials vor, welcher hier in Form eines Zylinders gezeigt ist, welcher jedoch beliebige andere Querschnittsformen haben kann und an seinen beiden Enden zwischen einem oberen Gesenkteil 210 und einem unteren Gesenkteil 212 gelagert ist und wobei die zylindrische Wand des zu schmiedenden Materials von der Innenwand eines rohrförmigen metallenen Stützteiles 215 gestützt wird. Während des Schmiedevorganges bewegen sich Gesenkober-und-unterteil 210 und 212 aufeinander zu und verursachen die Verformung des Metalls 214, z. B.
Beryllium, zu der in Fig. 6 gezeigten Pfannkuchenform, wobei es ringsherum vom Stützteil 215 begrenzt ist, welch letzterer gleichfalls verformt und zur Form eines Ringes, wie in Fig. 6 gezeigt, flachgedrückt wurde und welcher später entfernt werden kann. Diese Art von Verfahren und Vorrichtung ist insbesondere dann zweckmässig, wenn eine Wärmeeinwirkung auf das Schmiedestück gewünscht wird. In der Ausführungsform der Erfindung
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Es ist offenkundig, dass diese Art von Vorrichtung und Verfahren es ermöglicht, Teile in wirtschaftlicher Weise und mit engen Toleranzen sowie guter Oberflächenbeschaffenheit zu schmieden. Das Verfahren gestattet auch eine Überprüfung der Oberfläche und ein Konditionieren zwischen den Schmiedevorgängen wenn es erforderlich ist.
Ist während des Schmiedevorganges eine verstärkte Stützung erwünscht, so kann die Temperatur des Metalls des Stützgliedes 15,115 oder 215 etwas gesenkt werden oder die Art des verwendeten Metalls oder Materials verändert werden. Auf diese Weise kann leicht eine genaue Steuerung des Verfahrens erzielt werden. Verschiedene andere Schmiedeformen, wie Halbkugeln, können ausser den gezeigten hergestellt werden, da Vorrichtung und Formen lediglich beispielsweise dargestellt wurden. Verschiedene andere Abweichungen und Modifikationen können ohne weiteres vorge-
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PATENT ANSPRÜCHE :
1.
Verfahren zum Schmieden von sprödem Material, dadurch gekennzeichnet, dass der erhitzte Rohling des Materials an seinen Seiten mit Ausnahme von bestimmten Aussenteilen von Gesenkteilen umgeben wird, die in Kontakt mit dem Rohling stehen, dass weiterhin ein metallischer Stützteil in
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tallische Stützteil erhitzt wird, dann der erhitzte metallische Stützteil in Stützlage gegenüber den Gesenkteilen und in Kontakt mit den Aussenteilen des Rohlings, die nicht in Kontakt mit den Gesenkteilen stehen, gebracht wird, wobei ein Raum freigelassen wird, in welchen der Stützteil bei seiner Deformierung
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einem solchen Ausmass, dass die Verformung des Rohlings fortschreitet, nachdem der darauf wirkende Kompressionsdruck den elastischen Grenzwert des erhitzten Stützteiles überschreitet, worauf der Pressdruck fortgesetzt wird,
während der Stützteil deformiert wird und dadurch Raum für die endgültige Gestalt des Schmiedestückes freigibt, wobei sowohl Stützteil als auch Gesenkteile stützenden Druck auf praktisch alle Teile der Aussenflächen des zu schmiedenden Materials während des Schmiedevorganges bis zu dessen Ende ausüben.