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Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Walzen von Blechen,
Stangen, Drähten u. dgl. unter Anwendung von Ultraschall grosser Amplitude (Makroschall).
Gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren wird mittels einer am Walzgut anliegenden Schwing- walze Makroschall in einem Abstand von einem ganzzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge des Makroschalls vom Arbeitswalzenpaar auf das Walzgut übertragen.
Bei der Vorrichtung gemäss der Erfindung ist mindestens eine das Walzgut aktivierende Makro- schallschwingungen ausführende Walze (Schwingwalze) vorgesehen und die Länge der Schwingwalze gleich der Hälfte der in ihr auftretenden Wellenlänge des Makroschalls, ferner sind in einem Ab- stand eines ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge der longitudinalen oder Biegewellenlän- ge von der Schwingwalze in der Walzrichtung und'bzw. oder in der Gegenrichtung die die Verfor- mung des Walzgutes bewirkenden Walzen vorgesehen.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens ergibt sich, wenn das Walzgut durch eine weitere Walze (Gegenwalze) mit einem Druck von zirka maximal 500 N gegen die Schwingwalze gedrückt wird.
Die Verformung des Walzgutes kann als Kaltumformung durchgeführt werden. Dadurch ist es möglich, auch solche Werkstoffe zu walzen, die bei den bisher üblichen konventionellen Verfahren entweder gar nicht oder nur durch Zufuhr von Wärme (durch Aufheizen des Walzgutes) gewalzt wer- den können. Das Aufheizen des Walzgutes bringt es mit sich, dass die Werkstoffeigenschaften durch die thermische Einwirkung nachteilig beeinflusst werden können und dies macht mitunter eine ge- eignete Nachbehandlung zur Wiedererlangung bzw. zur Erzielung der gewünschten Materialeigen- schaften notwendig.
Das erfindungsgemässe Walzverfahren erspart das Aufheizen solcher Werkstoffe, die sich bei
Raumtemperatur nicht oder nur sehr schwer umformen lassen, so dass sehr wohl unter Makroschall- einwirkung bei Raumtemperatur gewalzt werden kann, und man erspart sich auch die bei verschie- denen Werkstoffen, z. B. bei hochlegierten Stählen, notwendigen chemischen Vor- und Nachbehand- lungen, die teils zum Schutz des Werkstoffs bei dessen thermischer Behandlung notwendig sind bzw. die dann bei den konventionellen Verfahren aufgebracht werden müssen, wenn ansonsten das
Schutz- oder Schmiermittel am Werkstoff nicht anhaftet, sobald der Werkstoff durch die Walzstrasse befördert wird.
Ein wichtiges Merkmal des Makroschallverfahrens ist auch die Herabsetzung der
Rissbildung beim Walzen, wie sie oft bei der Kaltumformung nach konventionellen Methoden eintritt, während diese Rissbildung bei der Einwirkung von Makroschall hintangehalten wird. Derartige Schäden beim Walzen verursachen Ausschuss und Materialverlust. Das Makroschallverfahren bietet also neben einer Produktivitätssteigerung und Einsparungen, indem das Aufheizen und auch die allfällige chemische Vor- und Nachbehandlung gegenüber dem konventionellen Walzen entfallen kann, eine wesentlich verbesserte Materialgüte.
Durch die Einwirkung des Makroschalls wird es ausserdem möglich, das Ausmass der Verformung je Verformungsstufe gegenüber den bisher üblichen konventionellen Walzverfahren erheblich zu erhöhen und dadurch die Produktivität der üblichen Walzverfahren beträchtlich zu steigern.
Die Vorrichtung gemäss der Erfindung kann durch verschiedene Massnahmen eine Ausgestaltung erfahren. So kann für den Fall, dass die Länge der Schwingwalze, wie sie sich aus den Dimensionierungsbedingungen für den Makroschall ergibt, mit der Breite des Walzgutes nicht übereinstimmt, sondern nur eine geringere Länge erforderlich ist, bei unveränderter Gesamtlänge der Schwingwalze diese in der Mitte einen grösseren Durchmesser aufweisen, als die sich beiderseits an den Mittelteil anschliessenden Teile der Walze.
Für einen guten Wirkungsgrad der Schwingwalze ist es vorteilhaft, wenn der Umfang der Schwingwalze bzw. ihres Mittelteils ein ganzzahliges Vielfaches des 21T-fachen der Biegewellenlänge beträgt.
Ferner kann zur besseren Übertragung des Makroschalls von der Schwingwalze auf das falzgut und zur besseren Führung des Walzgutes zusätzlich eine weitere, einen Gegendruck auf das Walzgut ausübende, der Schwingwalze gegenüberliegende Walze (Gegenwalze) vorgesehen sein.
Die Abmessungen der Gegenwalze werden am besten so gewählt, dass der Durchmesser der Gegenwalze gleich gross ist wie der Durchmesser der Schwingwalze bzw. deren Mittelteil. Dadurch können etwaige Verluste durch die Gegenwalze vermieden werden.
Die Makroschallenergie wird der Einrichtung am vorteilhaftesten dadurch zugeführt, dass min-
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destens ein direkt oder über ein Horn mit der Schwingwalze verbundener Konverter vorgesehen ist.
Ein solcher Konverter oder auch deren mehrere können radial, z. B. am Horn angeordnet sein.
Vor allem aus konstruktiven Gründen ist es am zweckmässigsten, wenn der oder die Konverter axial an der Schwingwalze oder am Horn angeordnet sind.
Eine weitere Verbesserung ergibt eine Vergrösserung der Amplitude der Schwingungen. Es ist dann das Horn gegen die Schwingwalze zu abgesetzt, wobei der Durchmesser auf etwa die Hälfte verringert ist.
An Stelle der üblichen Lagerung von Walzen auf beiden Seiten hat es sich wegen der relativ geringen Drücke auf die Lager der Schwingwalze als möglich erwiesen, die Schwingwalze nur ein- seitig zu lagern und zwei sich auf derselben Seite der Schwingwalze befindliche, jeweils im Bewe- gungsknoten angeordnete Lager vorzusehen. Dadurch wird die Ein- und Ausbringung des Walzgutes ausserordentlich erleichtert und der Zeitaufwand für diese Operationen wesentlich verkürzt.
Die Erfindung ist den bisher bekanntgewordenen Verfahren zur Einwirkung von Ultraschall beim Walzen überlegen, denn bei diesen Verfahren werden stehende Wellen ausgebildet und das hat zur Folge, dass die äusseren zur Umformung aufzubringenden Kräfte (Walzdrücke) jeweils in
Bereichen von Spannungsbäuchen geringer sind als in Bereichen von Spannungsknoten (der Walz- druck ist also periodischen Schwankungen unterworfen). Dies hat auch periodisch schwankende
Effekte auf die Wirkung des Ultraschalls auf das Walzverfahren zur Folge, was sich auch auf die Materialgüte ungünstig auswirkt, denn das Material ist schwankenden Einflüssen unterworfen und somit in seiner Konstruktion nach dem Walzen nicht homogen.
Gegenüber einem andern bekanntgewordenen Verfahren zum Walzen unter Einwirkung von Ultra- schall hat das erfindungsgemässe Verfahren den Vorteil, dass vermieden wird, dass die zu Radial- schwingungen angeregte Walze unter dem Walzdruck gewissermassen "ausweicht" und gerade dort, wo zur Kaltumformung Ultraschallschwingungen benötigt werden würden, die Schwingungsamplitude an der Walzoberfläche nahezu Null oder gleich Null ist, während auf der gegenüberliegenden Seite, wo keinerlei Umformung stattfindet, eine grosse Schwingungsamplitude auftritt. Nun benötigt man aber gerade im Bereich der Umformungszone eine möglichst hohe Ultraschallenergiedichte, die durch keines der bisher vorgeschlagenen Verfahren erzielt wird.
Bei einem andern vorgeschlagenen Verfahren, das mit der Einwirkung von Ultraschall auf ein Werkstück arbeitet, wird der Ultraschall durch einen an einem Ende des Werkstückes angebrachten Übertrager (Transducer) auf das Werkstück übertragen. Es werden dabei drei verschiedene Wirkungen des Ultraschalls im Werkstück unterschieden. In einem ersten Bereich wird das maximale Niveau der Ultraschallspannungen unter der Elastizitätsgrenze des Werkstückes gehalten, während in dem anschliessenden zweiten Bereich die Schallenergie in Wärme umgewandelt wird, wobei die dabei auftretenden Spannungen die Elastizitätsgrenze überschreiten. In dem anschliessenden dritten Bereich wirken an Stelle der Ultraschallschwingungskräfte statische Kräfte, die durch Walzen oder andere formändernde Werkzeuge mit stark vermindertem Druck ausgeübt werden.
Diese bewirken die Deformation des Werkstückes. Die erforderliche Lokalisierung der Umwandlung der Schallenergie in Wärme durch die Wirkung des Ultraschalls im zweiten Bereich wird durch Vorheizen des Werkstückes unter Anwendung äusserer Mittel (Flammenheizung oder induktive Erwärmung) bewirkt. Dadurch sinkt die Elastizitätsgrenze des Werkstoffs unter die von den Schwingungen herrührenden Spannungsspitzen. Die gewünschte Umwandlung kann anderseits auch durch Querschnittsverringerung des Werkstückes erreicht werden, da dann die Spannungsspitzen durch die Schwingungen die Elastizitätsgrenze überschreiten.
Zum Unterschied von diesen bekanntgewordenen bzw. vorgeschlagenen Verfahren wird nach dem erfindungsgemässen Verfahren und der erfindungsgemässen Vorrichtung das Ultraschallfeld über eine aktivierende Walze (Schwingwalze) auf das umzuformende Gut übertragen, wobei diese aktivierende, rotierende Walze keineswegs auch gleichzeitig die Umformung bewirkt, sondern lediglich dazu dient, das Ultraschallfeld auf das umzuformende Material zu übertragen. In einem bestimmten Abstand von der Auflagefläche der die Ultraschallschwingungen ausführenden Walze, nämlich in einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge von Biegeschwingungen, ist nun das konventionelle, die Umformung bewirkende Walzenpaar mit entsprechendem Walzendruck angeordnet.
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Ein typisches Beispiel für diese Anordnung, wie es erfindungsgemäss beim Walzen von Profilen aus
Kupfer verwendet werden kann, sieht einen Abstand D (vgl. Fig. l) von 24 cm, einer ganzen Wel- lenlänge einer Biegewelle von 20 kHz vor.
Bei der Erfindung ist das die Ultraschallschwingungen auf das Ziehgut übertragende, rotie- 'rende Konvertersystem (welches die von einem Ultraschallgenerator herrührenden elektrischen Signale in mechanische Schwingungen umwandelt) von den die Verformung bewirkenden Walzen völlig ge- trennt und es wird im Gegensatz zu den bisher vorliegenden Vorschlägen eine stehende Ultraschall-
Biegungswelle solcherart zwischen rotierendem Ultraschallkonverter und (rotierenden) Walzelementen erzeugt, dass im Bereich des Verformungsprozesses eine Ultraschall-Wechseldruckamplitude die vom Walzdruck herrührende, äussere, quasi-statische Druokamplitude beim Verformungsprozess massgeblich unterstützt.
Dadurch kann der äussere, quasi-statische Druck, der auf das Walzgut zu übertragen ist, vermindert werden und der Walzprozess wird erleichtert.
Bei der Erfindung rotiert eine Schwingwalze --la-- mit einer der Walzgeschwindigkeit ent- sprechenden Umdrehungszahl, wobei diese Walze zu Ultraschallschwingungen angeregt ist. Dieser
Walze --la-- ist eine zweite Walze --lb-- gegenüber solcherart angeordnet, dass das Walzgut - zwischen diesen beiden Walzen hindurchgezogen wird. Die Walze --lb-- braucht nicht gesondert zu Ultraschallschwingungen angeregt zu werden, sie ist aber ebenfalls nach akustischen Gesichts- punkten ausgelegt, ähnlich der Dimensionierung der Walze --la--, damit die Walze --lb-- mög- lichst wenig an Ultraschallenergie absorbiert und somit weniger Verluste aus dem Ultraschallfeld ableitet.
Damit werden Ultraschallwellen entsprechender Frequenz im Werkstück erzeugt, die sich zu- nächst in beide Richtungen von der Walze --la-- ausgehend im Walzgut ausbreiten. In jener Aus- breitungsrichtung der Schallwellen im Walzgut, in welcher sich die Walzen --3a und 3b-- befin- den, kommt es zu einer Reflexion der Schallwellen in der Deformationszone, die zwischen den Wal- zen-3a und 3b- gelegen ist, was ganz besonders dann von Vorteil für den Verformungsprozess ist, wenn sich die Deformationszone zwischen den Walzen in einem solchen Abstand D von der Stel- le der Berührung des Walzgutes mit der Schwingwalze --la-- bzw. der Gegenwalze --lb-- befin- det, dass die freie Länge zwischen Schwingwalze und Walzeneinlauf einem Vielfachen der halben
Wellenlänge von Biegewellen entspricht.
In der entgegengesetzten Ausbreitungsrichtung, also von der Schwingwalze --la-- in Rich- tung auf den Zutritt des Walzgutes in die Walzmaschine, also in Richtung auf den Einlass des
Walzgutes hin, wird es in den Schallwellen nur dann zu einer Verstärkung der Schallwechseldruck- amplitude kommen, wenn das Walzgut --2-- in einem Abstand D in irgendeiner Weise genügend stark eingespannt sein würde, oder wenn das freie Ende gerade ein Vielfaches des Abstandes D erreicht. Da aber in dieser Ausbreitungsrichtung keine die äussere Verformung des Gutes bewirkende
Vorrichtung vorhanden ist, spielt das gelegentliche Zustandekommen einer stehenden Welle in dieser
Ausbreitungsrichtung keine Rolle ; ein solcher Effekt ist für den erfindungsgemässen Walzvorgang belanglos.
Es sind auch keine nennenswerten oder merklichen Einflüsse auf die Materialeigen- schaften infolge dieser gelegentlichen Ausbildung von stehenden Wellen im Werkstück zu befürch- ten, weil dem Ultraschallwellenfeld keine äusseren Zug- oder Druckkräfte überlagert sind, zumal erst deren Zusammenwirken zu den erfindungsgemässen Effekten und zur erfindungsgemässen Beein- flussung des Walzprozesses führt. Ein solches Zusammenwirken tritt also nur in Vorschubrichtung nach dem Schwingwalzenpaar bzw. im Bereich der Umformung im Walzen paar --3-- in Erscheinung.
Gemäss der in der Fig. 2 beispielsweise dargestellten Anordnung wird die Schwingwalze - fest an das von einem Ultraschallkonverter --4-- zu mechanischen Schwingungen angeregte Horn -5-- angeschraubt. Schwingwalze --la--, Horn -5-- und Konverter --4-- rotieren also mit der gleichen Umdrehungszahl und können dazu beispielsweise in einem Lager --6-- gelagert sein, bzw. es kann auch ein zweites Lagerhals Aussenlager zur Schwingwalze vorgesehen sein, wenn man beispielsweise beim Walzen grössere Andrücke der Schwingwalze auf das zu verformende Werkstück benötigt. Grundsätzlich ist aber festzustellen, dass der Andruck der Schwingwalze an das zu walzende Gut lediglich so gross zu sein braucht, dass die Ultraschallschwingungen übertragen werden. Das ist in der Regel mit etwa 100 bis 500 N erreicht.
Zur jeweiligen Optimierung
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des Andruckes ist eine Verstellvorrichtung--Ba und 8b-- vorgesehen. Zu beachten ist, dass sowohl das Lager --6-- als auch das Lager --7-- in den Knoten der Bewegungsamplituden angeordnet sein müssen, weil sonst die vom Konverter herrührenden longitudinalen Ultraschallschwingungen auf das Lager übertragen werden, die nicht nur Lagerschäden zur Folge haben könnten, sondern auch einen Verlust an Ultraschallenergie.
Da das ganze Ultraschallsystem, bestehend aus Konverter,
Horn und Schwingwalze, rotiert, muss man Hochfrequenzenergie HF vom Ultraschallgenerator, bei- spielsweise über Schleifringe und Schleifringkontakt --9--, dem Konverter zuführen (der Konverter besteht in der Regel aus einem unter Ausnutzung des piezoelektrischen oder magnetostriktiven Effektes zu Schwingungen angeregten Bauelement).
Es ist nicht unbedingt notwendig, zwischen dem Konverter und der Schwingwalze ein Horn anzuordnen. Es kann grundsätzlich der Konverter unmittelbar an die Schwingwalze angeschraubt bzw. mit ihr starr verbunden werden. Wichtig ist nur, dass die im Konverter erzeugten Ultraschallschwingungen auf die Schwingwalze --la-- übertragen werden, u. zw. solcherart, dass die Schwingwalze zu Ultraschallschwingungen angeregt wird.
Ist einmal die Schwingwalze in ihren Abmessungen auf die Resonanzfrequenz des Konverters abgestimmt, braucht man späterhin keinerlei weitere nachträgliche Abstimmungen vorzunehmen, wenn beispielsweise die Walzen --3a und 3b-- ausge- wechselt werden, gleichgültig welcher Dimension und welchen Gewichts die Walzen sind und es erübrigt sich auch, nachträgliche Abstimmungen vorzunehmen, wenn Walzgut mit verschiedenen Stärken verwendet wird, solange diese Stärken nicht um ein Mehrfaches in ihren Dimensionen gegen- über der Wellenlänge der Biegungswellen voneinander abweichen, und solange der Abstand D gewahrt wird.
Für die erfindungsgemässe Einwirkung von Ultraschall auf das Walzen ist es belanglos, ob das zu walzende Gut durch die Verformungswalzen --3a und 3b-- gezogen oder von einem andern Antriebssystem aus gezogen oder hindurchgepresst wird. Einen in manchen Fällen empfehlenswerten weiteren Vorteil kann man sich erfindungsgemäss dadurch verschaffen, dass man nach beiden Richtungen hin von der Aktivierungsrolle äussere Verformungen bewirkende Walzenpaare jeweils im Abstand D anordnet, wie dies beispielsweise in Fig. 3 veranschaulicht ist. Dann nutzt man die nach beiden Richtungen von der Schwingwalze --la-- ausgehenden Ultraschallfelder aus und kann somit entsprechend grössere Verformungsgrade in einem Arbeitsgang bewirken.
Selbstverständlich muss dann die Umdrehungszahl des zusätzlichen Walzenpaares --lOa und lOb-dem Verformungsgrad entsprechend und in Abhängigkeit von der Umdrehungszahl des Walzen paares --3a und 3b-- ge- wählt werden oder sich danach einstellen bzw. umgekehrt. PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Walzen von Blechen, Stangen, Drähten u. dgl., unter Anwendung von Ultraschall grosser Amplitude (Makroschall), dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer am Walzgut anliegenden Schwingwalze Makroschall in einem Abstand von einem ganzzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge des Makroschalls vom Arbeitswalzenpaar auf das Walzgut übertragen wird.