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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Richten von stangenförmigem, metallischem Gut mit gegebenenfalls unterschiedlicher Festigkeit über dem Querschnitt, beispielsweise von gewalzten und/oder mechanisch und/oder wärmetechnisch behandelten Stäben, wie Rundstangen, Eisenbahnschienen und dergleichen, zur Einstellung von hoher Materialfestigkeit des Richtgutes und bestimmten oder niedrigen Restspannungen in diesem durch plastisches Druckverformen in Längsrichtung mit anschliessender plastischer Dehnung.
Ein lineares Richten von metallischem Stabmaterial erfolgt jeweils durch zumindest teilweises plastisches Verformen des Werkstoffes über den Querschnitt.
Ein wichtiges diesbezügliches Verfahren arbeitet mittels plastischer Dehnung in Längsnchtung, durch welche eine Verkleinerung des Querschnittes des Richtgutes bewirkt wird. Bei durchwegs homogenen oder konzentrisch bzw. symmetrisch gleichen Materialeigenschaften sind gute Richtergebnisse bzw. eine axlineare Ausrichtung des Gutes erreichbar. Dieses, vorzugsweise bei geringen Querschnitten des Stabmaterials verwendete, gegebenenfalls kontinuierliche Richtverfahren erfordert jedoch für grössere Querschnitte und dergleichen Längen einen erheblichen maschinentechnischen Aufwand. Weiters kann mit einem derartigen Richtverfahren oft keine ausreichende Geradheit des Erzeugnisses erreicht werden, wenn im Richtgutquerschnitt unterschiedliche Festigkeitseigenschaften des Materials vorliegen.
Gemäss DE-OS- 1 527 434 wurde schon vorgeschlagen, für stangenförmiges Gut unterschiedlicher Materialfestigkeit im Querschnitt eine gleichmässig gekrümmte Streckbahn zu verwenden, was allerdings nur bei gleichartig ausgebildeten ortlichen Abweichungen der Fliessgrenze des Werkstoffes zielführend ist.
Besonders verbreitet, auch für grössere Querschnitte des Richtgutes, ist ein sogenanntes Biegerichten, bei welchem der Stab, zumeist im Durchlaufverfahren, mittels Rollen auslaufend hinund hergebogen wird. In den axfernen bzw oberflächennahen Bereichen des Gutes erfolgen dabei alternativ eine plastische Dehnung sowie eine dergleichen Stauchung des Richtgutes, wobei im linear ausgerichteten Material erhebliche örtliche Restspannungen verbleiben können Es wurden schon nach diesem Prinzip wirkende Richtverfahren vorgeschlagen (EP- 0 234 204), mit welchen eine Schiene an der Schienenfussseite nahezu frei von Längszugeigenspannungen ausnchtbar ist.
Um Eigenspannungsspitzen in den oberflächennahen Bereichen zu vermeiden bzw. gering zu halten, ist es auch bekannt, das Richtgut durch in Längsrichtung wirkende Druckspannungen plastisch zu verformen (SU- 1 148 663 A) und gegebenenfalls diese Spannungen durch an der Richtgutoberfläche eingeleitete gegensinnige Reibungsschubspannungen örtlich aufzubauen (EP- 0 671 983 B1).
Dieses Richten mittels Längsdruckspannungen besitzt zwar zumeist den Vorteil von kleinen verbleibenden Längseigenspannungen im Gut bei gutem Richteffekt, hat jedoch die Nachteile einer Vergrösserung des Querschnittes sowie des Wirksamwerdens des Bauschinger - Effektes. - Der Bauschinger - Effekt ist das Absinken der Festigkeitswerte, wenn die an eine plastische Verformung anschliessende Materialbelastung gegengerichtet ist - Weiters entstehen bei unterschiedlicher Materialfestigkeit in den Querschnittszonen unerwünschte Stabkrümmungen nach dem Richten durch plastisches Stauchen
Aus der SU - 1 311 807 A1 ist ein Verfahren bekannt geworden, welches eine jeweils plastische Druckverformung mit anschliessender Zugverformung offenbart, wobei insbesondere eine hohe Gleichmässigkeit des Querschnittes des Richtgutes erreicht werden soll.
Nachteilig dabei kann wiederum ein Entstehen von Krümmungen während des Richtens bei Festigkeitsunterschieden in Querschnittsbereichen des Stabes sein.
Die Erfindung setzt sich zum Ziel, die Nachteile der bekannten Richtmethoden für stangenförmiges metallisches Gut zu beseitigen und ein neues verbessertes Verfahren zu schaffen, mit welchem nach dem Richtvorgang der Stab bzw. die Stange hohe Lineantät aufweist, auch wenn im Querschnitt derselben Bereiche mit unterschiedlicher Festigkeit vorliegen.
In Erweiterung dieses Zieles ist es erfindungsgemässe Aufgabe, gewünschte Restspannungen im Richtgut zu minimieren und/oder auf gewünschte Werte einzustellen
Dieses Ziel wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass in einem ersten Schritt das stangenförmige Gut in sämtlichen Querschnittsbereichen einer Stauchung mit bleibender Formänderung in Längsrichtung unterworfen und in einem zweiten Schritt eine vorgegebene Dehnung desselben mindestens bis zum teilweisen Fliessen des Materials und höchstens bis zum Erreichen von gleich hohen Spannungen im gesamten Querschnitt erfolgt und danach
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beendet wird.
Die wesentlichen mit der Erfindung erreichten Vorteile bestehen darin, dass bei bester Richtgüte Längseigenspannungen im Gut in gewünschter Weise eingestellt oder im wesentlichen vollkommen abgebaut werden können. Durch die Materialdehnung im zweiten Schritt wird weiters eine hohe Dehngrenze des Richtgutes erreicht.
Die Erfindung fusst, wie gefunden wurde, auf folgenden Erkenntnissen:
Liegen im Richtgutquerschnitt Bereiche mit unterschiedlicher Festigkeit, so werden im ersten Verfahrensschritt beim Stauchen die weniger festen Bereiche früher plastifiziert als die höherfesten ; insgesamt soll jedoch die bleibende Formänderung möglichst gering gehalten werden. Erfolgt nun im zweiten Verfahrensschritt eine Dehnung des Stabes bis die Spannungen im gesamten Querschnitt gleich hoch sind, dies bedeutet, dass die weniger festen Querschnittsbereiche eine entsprechend grosse bleibende Streckung erfahren haben, so liegen nach dem Entlasten keine axial gerichteten Eigenspannungen im Richtgut vor. Der Streckgrad wird dabei von der Fliessfestigkeitsdifferenz im Materials bestimmt.
Sollen aber, beispielsweise bei spanlos bearbeiteten Rundstangen, die oberflächennahen koaxialen Druckspannungen nur teilweise abgebaut werden, so ist die Dehnung derselben im zweiten Verfahrensschritt geringer vorzunehmen.
Besonders vorteilhafte Richtergebnisse mit gleichmässig hohen mechanischen Materialkennwerten sind erreichtbar, wenn im ersten Schritt das stangenförmige Material in Längsrichtung um weniger als 0,5 %, vorzugsweise um weniger als 0,4 %, plastisch gestaucht wird.
Um gewünschte Gebrauchseigenschaften und hohe Reproduzierbarkeit der mechanischen Materialwerte zu erreichen, kann es weiters von Vorteil sein, wenn die Festigkeit und die Eigenspannungen in der oberflächennahe Zone des stabförmigen Gutes durch die Richtparameter eingestellt und auf dessen Betriebsbeanspruchung abgestimmt werden.
Verfahrenstechnisch, aber auch im Hinblick auf den anlagenmässigen Aufwand kann es günstig sein, wenn beim Richten des stangenförmigen Gutes zumindest das Stauchen mit bleibender Formänderung in Teillängen schrittweise durchgeführt wird.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von schematischen Diagrammen und von einem lediglich einen Ausführungsweg beschreibenden Beispiel mit zugehörigen graphischen Darstellungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Spannung- Dehnung-Diagramm für das erfindungsgemässe Verfahren ohne Berück- sichtigung des Bauschinger - Effektes (schematisch)
Fig. 2 ein Spannung- Dehnung-Diagramm für das erfindungsgemässe Verfahren ohne Berück- sichtigung des Bauschinger-Effektes, mit hohem Stauchgrad (schematisch)
Fig. 3 ein Spannung- Dehnung- Diagramm für das erfindungsgemässe Verfahren mit Berück- sichtigung des Bauschinger - Effektes
Fig.
4 Längseigenspannungen in einem mechanisch randschichtverformten Stab A und dies- bezügliche Ergebnisse nach dem Linearrichten mit unterschiedlichen bleibenden Deh- nungen
Fig.5 Längseigenspannungen in einem weiteren mechanisch randschichtverformten Stab B
In Fig 1 ist schematisch ein Spannung-Dehnung- Diagramm für das erfindungsgemässe Verfahren dargestellt, wobei ein linear zu richtendes Gut Eigenspannungen und unterschiedliche Materialfestigkeit im Querschnitt aufweist.
Im oberflächennahen Bereich A1 des Gutes liegen beispielsweise Druckspannungen -# vor, die von Zugspannungen +# im Kernbereich K1 ausgeglichen werden. Gemäss der Erfindung erfolgt im ersten Schritt ein Stauchen-E jeweils bis zur Elastizitätsgrenze der Bereiche A2 und K2 mit einem weiteren plastischen Teil der Formänderung nach A3 bzw. K3.
Der unterschiedlichen Materialfestigkeit wegen sind die Druckspannungen -# bei A3 im höherfesten Querschnittsbereich grösser
Nach einer Entlastung und einem Aufbringen von Zugspannungen +# erfolgt in geringer festem Materialbereich bei Erreichen der Fliessspannung (K4) eine plastische Dehnung +e, wohingegen die Formänderung im höher festen Materialbereich elastisch ist und erst wesentliche höhere Zugspannungen (bei A4) eine Plastifizierung des Werkstoffes bewirken können.
Wird jedoch, wie erfindungsgesmäss vorgesehen ist, die Dehnung +s, nach einem Erreichen von gleich hohen Spannungen +# im gesamten Querschnitt, was im Diagramm von Fig. 1 sowie in den den weiteren Diagrammen mit R1 bezeichnet ist, beendet und das Richtgut entlastet, so verbleiben in diesem, wie
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durch R2 gezeigt ist, im wesentlichen keinerlei Restspannungen.
Aus Fig. 2 ist schematisch ein Spannung- Dehnung-Diagramm für das erfindungsgemässe Verfahren zu entnehmen, wobei im Querschnitt des zu nchtenden Gutes anfänglich unterschiedliche Längseigenspannungen A1 und K1 gegeben sind. Das Stauchen des Richtgutes im vorgesehenen ersten Schritt des Verfahrens wird nach einem Erreichen der jeweiligen Elastizitätsgrenze A2 und A3 bzw. von K2 nach K3 vorgenommen.
Am Anschluss an die Entlastung erfolgt ein im zweiten Schritt vorgesehenes Dehnen bis die Spannungen +a bei R1 im gesamten Querschnitt des Gutes gleich hoch sind. Wird nun die Zugbelastung beendet, ergibt sich eine elastische Formanderung R1 nach R2, wobei danach im Richtgut im wesentlichen keinerlei Restspannungen in Längsrichtung desselben vorliegen. Dessen Querschnitt jedoch ist durch die erhöhte plastische Druckverformung im ersten Schritt grösser. Durch die Höhe des Stauchgrades im ersten Verfahrensschritt kann also der Durchmesser nach dem Richten des Stabes eingestellt werden.
Der gerade Verlauf der Dehnungskurven K3 nach K4 und A3 nach A4 nach einer plastischen Stauchung K2 nach K3 und A2 nach A3 ist idealisiert dargestellt und berücksichtigt nicht den vorher genannten Bauschinger- Effekt.
Fig. 3 zeigt im wesentlichen ein gleiches Diagramm, wobei dem Bauschinger - Effekt Rechnung getragen ist. Wird nach einer plastischen Druckumformung des Materials dieses emer Zugbelastung +# ausgesetzt, so beginnt ein Fliessen bzw. eine Plastifizierung schon bei wesentlich niedrigeren Spannungen #, wie dies aus den gebogenen Kurvenformen K3 nach K4 sowie A3 in Richtung A4 im Diagramm hervorgeht.
In Fig. 4 sind die oberflächennahen Eigenspannungen eines randschichtverformten Stabes A aus einem Werkzeugstahl mit höherem Kohlenstoffgehalt gemäss DIN Werkstoff Nr. 1 4112 mit einem Durchmesser von 30 mm sowie derartige Ergebnisse nach dem Richten desselben mit unterschiedlichen Parametern dargestellt. Dabei bedeuten die nach unten gerichteten Balken Druckspannungen, nach oben weisende Zugspannungen Die Werte unter P1 vermitteln die Ergebnisse betreffend die Eigenspannungen von jeweils drei Messungen unmittelbar nach dem Randschichtverformen, gemessen mit der Bohrlochmethode für eine mittlere Bohrlochtiefe von 1,0 mm.
Die Werte L1 stellen jeweils vier Messergebnisse nach einem Richten dar, bei welchem der randschichtverformte Stab einer plastischen Stauchung von s = - 0,36%, gefolgt von einer Strekkung # mit + 0,15 %, unterworfen wurde. Unter L1 sind vier Messwerte für eine mittlere Bohrlochtiefe von 1,0 mm dargestellt. Aus den Messwerten L1 im Vergleich mit jenen, ermittelt im Ausgangszustand (P1), ist eine geringe Senkung der Druckeigenspannungen im Oberflächenbereich des Stabes ersichtlich, dennoch muss das Dehnungsmass von e = + 0,15 % als nicht ausreichend gewertet werden
Unter S1 in Fig. 4 sind jeweils vier Werte einer Spannungsermittlung nach vergrösserter Stabstreckung mit wiederum einer mittleren Bohrlochtiefe von 1,0 mm dargestellt.
Aus den Ergebnissen der Untersuchungen ist ablesbar, dass lediglich geringe Resteigenspannungen nach einem Richten mittels eines Stauchvorganges mit # = 0,36 %, gefolgt von einer Streckung s von + 0,23 % im Stab gegeben sind.
Fig. 5 zeigt die Ergebnisse von Eigenspannungsmessungen von einem gleich randschichtverformten Stab B (P2), wobei ein Linearrichten mit einem ersten Schritt einem Stauchen im Ausmass von # = - 0. 36 % und mit einem zweiten Schritt einem Strecken von e = + 0,13 % (L2) sowie von # = 0,21 % (S2) angewendet wurde. Die Ermittlung der Werte von P2, L2 und S2 erfolgte wiederum mittels der Bohrlochmethode für eine mittlere Eigenspannungsmesslochtiefe von 1 mm. Die Ergebnisse S2 zeigen, dass das Richtgut äusserst geringe Eigenspannungen in Längsrichtung besitzt.
In umfangreichen Reihenuntersuchungen wurde gefunden, dass die vorzusehenden Werte für das Ausmass des Stauchens im ersten Schritt und jenes der Dehnung im zweiten Schritt des erfindungsgemässen Linearrichtverfahrens durch Berechnungen unter Zugrundelegung der Werkstoffkennwerte des Richtgutes ermittelt werden können.
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The invention relates to a method for straightening rod-shaped, metallic material with possibly different strength over the cross-section, for example of rolled and / or mechanically and / or thermally treated bars, such as round bars, railroad tracks and the like, for setting high material strength of the straightening good and certain or low residual stresses in this by plastic compression molding in the longitudinal direction with subsequent plastic expansion.
A linear straightening of metallic rod material takes place in each case by at least partially plastically deforming the material over the cross section.
An important process in this regard works by means of plastic elongation in the longitudinal direction, by means of which the cross section of the material to be straightened is reduced. With consistently homogeneous or concentrically or symmetrically identical material properties, good judging results or an axlinear alignment of the material can be achieved. This, if necessary, continuous straightening process, preferably used for small cross-sections of the rod material, requires considerable mechanical expenditure for larger cross-sections and similar lengths. Furthermore, with such a straightening process it is often not possible to achieve a sufficient straightness of the product if there are different strength properties of the material in the straightening section.
According to DE-OS-1 527 434, it has already been proposed to use a uniformly curved stretching path for rod-shaped material of different material strength in cross section, but this is only expedient in the case of similarly designed spatial deviations in the flow limit of the material.
Bending straightening is particularly widespread, even for larger cross-sections of the straightened material, in which the rod is tapered back and forth, usually in a continuous process, using rollers. In the areas of the good that are remote from the ax or close to the surface, there is alternatively a plastic stretching and a similar compression of the straightening good, whereby considerable local residual stresses can remain in the linearly aligned material a rail on the rail foot side is almost free of longitudinal tensile stresses.
In order to avoid or keep residual stress peaks in the areas close to the surface, it is also known to plastically deform the target material by compressive stresses acting in the longitudinal direction (SU-1 148 663 A) and, if necessary, to locally build up these stresses by means of opposing frictional shear stresses introduced on the target material surface (EP-0 671 983 B1).
Although this straightening by means of longitudinal compressive stresses usually has the advantage of small residual longitudinal residual stresses in the good with a good straightening effect, it has the disadvantages of enlarging the cross section and making the Bauschinger effect effective. - The Bauschinger effect is the decrease in the strength values if the material load following plastic deformation is countered - Furthermore, with different material strength in the cross-sectional areas, undesirable rod curvatures occur after straightening due to plastic compression
A method has become known from SU-1 311 807 A1, which discloses a plastic compression deformation with subsequent tensile deformation, in particular a high uniformity of the cross-section of the straightened material.
A disadvantage here can again be the formation of curvatures during straightening with differences in strength in cross-sectional areas of the rod.
The aim of the invention is to eliminate the disadvantages of the known straightening methods for rod-shaped metallic material and to create a new improved method with which after the straightening process the rod or the rod has a high degree of linearity, even if the cross sections of the same areas have different strengths available.
In addition to this goal, it is the object of the invention to minimize desired residual stresses in the target and / or to set it to desired values
This goal is achieved in a method of the type mentioned at the outset that in a first step the rod-shaped material is subjected to compression in all cross-sectional areas with a permanent change in shape in the longitudinal direction and in a second step a predetermined stretching thereof at least until the material flows partially and at most until the same cross-section stresses are reached and then
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is ended.
The main advantages achieved by the invention are that, with the best straightening quality, longitudinal internal stresses in the material can be set in the desired manner or substantially completely reduced. Due to the material expansion in the second step, a high proof stress is achieved.
The invention has been found to be based on the following findings:
If there are areas of different strength in the leveling material cross-section, the less firm areas are plasticized earlier than the higher strength areas in the first process step during upsetting; overall, however, the permanent change in shape should be kept as low as possible. If, in the second process step, the rod is stretched until the stresses in the entire cross-section are the same, this means that the less solid cross-sectional areas have undergone a correspondingly large elongation, so that there is no axially directed residual stress in the leveling material after relieving. The degree of stretch is determined by the difference in flow resistance in the material.
If, however, for example in the case of round bars machined without cutting, the coaxial compressive stresses near the surface are to be only partially reduced, then the stretching thereof is to be carried out less in the second process step.
Particularly advantageous straightening results with uniformly high mechanical material characteristics can be achieved if, in the first step, the rod-shaped material is plastically compressed in the longitudinal direction by less than 0.5%, preferably by less than 0.4%.
In order to achieve the desired usage properties and high reproducibility of the mechanical material values, it can also be of advantage if the strength and the residual stresses in the near-surface zone of the rod-shaped material are adjusted by means of the guide parameters and adjusted to its operating stress.
In terms of process engineering, but also with regard to the complexity of the installation, it can be advantageous if at least the upsetting with permanent change in shape is carried out in partial lengths when straightening the rod-shaped material.
In the following, the invention is explained in more detail with the aid of schematic diagrams and an example describing only one embodiment with associated graphic representations.
Show it:
1 shows a stress-strain diagram for the method according to the invention without taking the Bauschinger effect into account (schematic)
2 shows a stress-strain diagram for the method according to the invention without taking into account the Bauschinger effect, with a high degree of compression (schematic)
3 shows a stress-strain diagram for the method according to the invention, taking into account the Bauschinger effect
FIG.
4 longitudinal residual stresses in a mechanically deformed bar A and related results after linear straightening with different permanent strains
Fig. 5 longitudinal internal stresses in a further mechanically deformed bar B
1 schematically shows a stress-strain diagram for the method according to the invention, a material to be straightened linearly having internal stresses and different material strengths in cross section.
For example, compressive stresses - # are present in the area A1 of the good near the surface, which are compensated by tensile stresses + # in the core area K1. According to the invention, in the first step an upsetting E takes place up to the elastic limit of the areas A2 and K2 with a further plastic part of the change in shape according to A3 or K3.
Due to the different material strength, the compressive stresses are greater - # for A3 in the higher-strength cross-sectional area
After relieving and applying tensile stresses + #, plastic stretching + e occurs in a low, firm material area when the yield stress (K4) is reached, whereas the change in shape in the higher, firm material area is elastic and only significantly higher tensile stresses (for A4) plasticize the material can effect.
However, as is provided according to the invention, the elongation + s, after reaching the same high stresses + # in the entire cross-section, which is denoted by R1 in the diagram in FIG. 1 and in the further diagrams, is relieved and the material to be straightened is relieved, so stay in this how
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shown by R2, essentially no residual stresses.
A tension-strain diagram for the method according to the invention can be seen schematically from FIG. 2, different longitudinal residual stresses A1 and K1 initially being given in the cross section of the material to be nested. The straightening of the straightened material in the intended first step of the method is carried out after the respective elastic limits A2 and A3 or from K2 to K3 have been reached.
Following the relief, there is a stretch provided in the second step until the tensions + a at R1 are the same in the entire cross-section of the goods. If the tensile load is now terminated, there is an elastic change in shape R1 to R2, after which there are essentially no residual stresses in the longitudinal direction in the straightening material. However, its cross section is larger in the first step due to the increased plastic compression deformation. The height of the degree of compression in the first process step allows the diameter to be adjusted after the rod has been straightened.
The straight course of the expansion curves K3 to K4 and A3 to A4 after a plastic compression K2 to K3 and A2 to A3 is idealized and does not take into account the previously mentioned Bauschinger effect.
Fig. 3 shows essentially the same diagram, taking into account the Bauschinger effect. If this is subjected to tensile stress + # after plastic compression molding of the material, flow or plasticization begins at much lower stresses #, as can be seen from the curved curve shapes K3 to K4 and A3 in the direction of A4 in the diagram.
4 shows the internal stresses close to the surface of a surface-deformed rod A made of a tool steel with a higher carbon content in accordance with DIN material no. 1 4112 with a diameter of 30 mm and such results after straightening the same with different parameters. The downward-facing bars mean compressive stresses, upward-pointing tensile stresses. The values under P1 convey the results relating to the residual stresses of three measurements each immediately after the surface layer deformation, measured with the borehole method for an average borehole depth of 1.0 mm.
The values L1 each represent four measurement results after straightening, in which the surface deformed rod was subjected to a plastic compression of s = - 0.36%, followed by a stretch # with + 0.15%. Four measured values for an average borehole depth of 1.0 mm are shown under L1. A small reduction in the residual compressive stresses in the surface area of the rod can be seen from the measured values L1 in comparison with those determined in the initial state (P1), but the strain factor of e = + 0.15% must still be considered insufficient
Under S1 in FIG. 4, four values of a stress determination after enlarged rod extension each with an average borehole depth of 1.0 mm are shown.
It can be seen from the results of the investigations that there are only slight residual residual stresses after straightening by means of an upsetting process with # = 0.36%, followed by an elongation s of + 0.23% in the rod.
5 shows the results of residual stress measurements of a bar B (P2) deformed by the same surface layer, linear straightening with a first step compressing to the extent of # = - 0. 36% and with a second step stretching e = + 0, 13% (L2) and # = 0.21% (S2) was applied. The values of P2, L2 and S2 were again determined using the borehole method for an average residual stress measuring hole depth of 1 mm. The results S2 show that the leveling material has extremely low internal stresses in the longitudinal direction.
In extensive series investigations, it was found that the values to be provided for the extent of the compression in the first step and that of the expansion in the second step of the linear straightening method according to the invention can be determined by calculations based on the material properties of the straightening material.