Verfahren und Vorrichtung zum Verformen von metallenen Werkstücken Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verformen metallener Werkstücke durch Längenvergrösserung und Dickenverminderung mittels Biege-, Druck- und Zugkräften. Die Erfindung be trifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, welche einen Rahmen und mehrere Walzen sowie Mittel zur Führung des zu verlängern den, unter Zugspannung gehaltenen metallenen Werk stückes vorwärts und rückwärts durch die Walzen besitzt.
Die hohen Kosten der gebräuchlichen Metall bearbeitungsmaschinen und Vorrichtungen, wie Wal zenstrassen zum Walzen von Eisen und Stahl zu Produkten geringerer Dicke, sind seit langem ein wichtiges Problem. Bisher konnte dieses Problem jedoch nicht befriedigend gelöst werden, und dem entsprechend ist die Verwendung von Walzverfahren besonders bei der Herstellung dünnkalibrierter Mate rialien durch den dazu erforderlichen grossen Kapital aufwand beschränkt.
Für den gesamten Bereich der Dicken bzw. Stärken von Metallblechen und Bändern sind die gegenwärtig in technischem Massstab verwendeten Bearbeitungsmaschinen platzraubend, schwer und teuer und unterscheiden sich - mindestens in ihren wesentlichen Zügen - nicht von den Vorrichtungen, welche schon vor vielen Jahren allgemein in Gebrauch waren.
Die vorliegende Erfindung soll nun unter be stimmten Bedingungen eine Metallbearbeitung durch Anwendung von Walzkräften ermöglichen, welche erheblich geringer sind als die bei gegenwärtig in Gebrauch befindlichen Verfahren. Die Erfindung soll dadurch die Möglichkeit geben, die Verwendung be stimmter Methoden und Vorrichtungen zu erweitern und konventionelle Metallprodukte mit neuen Ver fahren und Vorrichtungen herzustellen.
Zusätzlich zu der erheblichen Verringerung der Grösse der bisher bei den konventionellen Vorrich tungen erforderlichen Walzenkräfte soll die Erfindung den Vorteil einer erheblich besseren Regelung der Dickentoleranz während der Dickenverringerung sehr breiter Bleche oder Blechstreifen eimöglichen. Die Einheitlichkeit bzw. Gleichmässigkeit der Banddicke über die gesamte Breite des Bandes soll dabei selbst tätig eingehalten werden, wobei Dickenverringerun- gen, welche bei der Durchführung des vorliegenden Verfahrens auftreten, kompensiert werden sollen.
Diese Eigenschaft ist von besonderem Wert und von grosser Anwendbarkeit bei der Verarbeitung von Blech- oder Bandmaterial solcher Härte, dass es mit bisher bekannten Methoden nicht ohne weiteres durch Walzen in seiner Dicke verringert werden konnte.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung soll darin bestehen, dass das Verfahren unter bestimmten ge regelten Umgebungsbedingungen, wie Temperatur, Atmosphäre und dergleichen, durchgeführt werden kann.
Die Erfindung soll für das Walzen länglicher Metallwerkstücke bei der Herstellung von Blechen, Bändern oder Folien verschiedener Typen, Drähten, Stäben und Röhren mit verschiedenen Querschnitts formen bei verschiedenen Materialzusammensetzun gen und Materialtypen anwendbar sein.
Das Verfahren gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück einer zykli schen plastischen Biegeverformung unterworfen wird und dass die drei Kräfte gleichzeitig zusammen wirkend auf einen jeden aufeinanderfolgenden Teil des Werkstückes mit einem nur für die Verformung des Werkstückes ausreichenden Gesamtbetrag ein wirken, um eine Oberflächen-Verschlechterung des bearbeiteten Werkstückes zu vermeiden.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist gekennzeichnet durch eine erste, im Rahmen ge lagerte Biegewalze, eine neben der ersten Biegewalze drehbar gelagerte, erste Druckwalze, welche zur Er zeugung eines Druckes auf der Breite des Werkstückes dient, wenn dieses zuerst mit der Biegewalze in Berüh rung kommt, eine drehbar neben der ersten Biege walze gelagerte zweite Druckwalze, die so angeordnet ist, dass sie auf die Breite des Werkstückes einen Druck ausübt, wenn dieses die erste Biegewalze ver lässt, ferner eine radial im Abstand zur ersten Biege walze im Rahmen gelagerte zweite Biegewalze, eine drehbar neben der zweiten Biegewalze gelagerte dritte Druckwalze,
welche zur Erzeugung eines Druk- kes auf der Breite des Werkstückes dient, wenn dieses zuerst mit der zweiten Biegewalze in Berüh rung kommt, und eine drehbar neben der zweiten Biegewalze gelagerte vierte Druckwalze zur Erzeu gung eines Druckes auf der Breite des Werkstückes, wenn dieses sich von der zweiten Biegewalze löst.
Gemäss einer Ausführungsform dieses Verfahrens wird die zyklische plastische Verformung durch ein wiederholtes Ab- und Zurückbiegen des Werkstückes bewirkt. Das Verfahren kann mit einer Vorrichtung durchgeführt werden, bei der das metallische Werk stück zwischen einem Paar von einander gegenüber stehenden Walzen hindurchläuft, welche auf das Werkstück einwirken und einen Anpressdruck auf die Stellen ausüben, wo die zyklische plastische Ver formung stattfindet.
Die Druckeinwirkung ist dabei während des Verfahrens stets relativ gering und wird mit abnehmender Dicke bzw. zunehmender Länge des Werkstückes wirkungsvoller. Im Vergleich mit bisher gebräuchlichen Walzverfahren ist der von den Walzen auf das Werkstück ausgeübte Druck vorzugs weise sehr viel geringer, wobei die zyklische plastische Verformung die Wirkung der Berührungskraft so weit verstärkt, dass eine plastische Deformation (Elonga- tion) des Werkstückes verursacht wird.
Dieses Walzverfahren wird normalerweise ent weder ein wiederholtes Hin- und Herlaufen des Werkstückes auf einer Verfahrensstrasse erfordern, wobei das Werkstück wiederholt gebogen und be gradigt wird; anderseits kann der Werkstoff auch ein einziges Mal durch eine Verfahrensstrasse mit mehre ren Walzengruppen durchgeführt werden. In beiden Fällen wird das Werkstück wiederholt der gleich zeitigen Einwirkung der Druckkraft, der Zugkraft und der zyklischen plastischen Verformung unter worfen, so dass er durch aufeinanderfolgende Längen inkremente gestreckt wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann auch mit grossem Vorteil in einer Weise durchgeführt werden, welche dem Walzen nur bezüglich der erhaltenen Produkte ähnelt. So kann beispielsweise bei einem dem Walzen ähnlichen Vorgang das Blechmaterial der Länge nach durch eine Verfahrensstation durch geführt werden, wobei aufeinanderfolgende Teile oder Segmente der Länge des Werkstückes der Einwirkung von zyklischen Scherbeanspruchungen ausgesetzt sind, welche zyklische plastische Scherverformungen in dem Werkstück bewirken, während es in einer der 'beiden Richtungen durch die Bearbeitungsstrasse durchläuft.
Bei dieser Bearbeitungsart, ebenso wie bei der oben beschriebenen Art des Walzens unter Druck, Biegung und Streckung, wird das Werkstückblech konstant einem Zug unterworfen und dabei unter Verminderung seiner Dicke verlängert, ohne dass die Breite des Werkstückes durch die Kombination der zyklischen plastischen Scherverformung, der Druck kraft und der Zugkraft verringert wird. Auch hier sind Druckkraft und Zugkraft etwas geringer als die zur Erzeugung der gleichen Verlängerung und Dicken verminderung nötigen Kräfte in Abwesenheit der zyklischen plastischen Scherverformung.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform des er findungsgemässen Verfahrens wird das blech- oder bandförmige Werkstück einer Kombination von Zug kräften, Druckkräften und solchen Kräften, welche als Ergebnis einer Phasenänderung entstehen und eine plastische Verformung an der Phasengrenzfläche erzeugen, unterworfen, wobei sich ebenfalls eine Verlängerung des Werkstückes unter Verminderung seiner Dicke und gleichbleibender Breite ergibt. Dazu wird das Werkstück in einer Bearbeitungsstrasse unterschiedlichen Temperaturen unterworfen. Wenn das Werkstück aus einem entsprechenden Metall besteht, erfährt es bei der Phasenänderung eine er hebliche Volumenveränderung.
Auf dem Bearbei tungsweg sind die Temperaturerzeuger so angeordnet, dass beim Durchziehen des Werkstückes in einer der beiden Richtungen eine Grenzschicht oder mehrere Grenzschichten zwischen den beiden Phasen ent stehen, wobei sich die Grenzschicht in jedem Fall transversal zum Werkstück, z. B. einem Blech, er streckt, so dass die Grenzschicht in Längsrichtung durch das Werkstück wandert, wenn dieses den Bearbeitungsweg durchläuft.
Im Bereich der Grenz- flächen wird auf das Werkstück mittels einander gegenüberliegender Druckwalzen ein Pressdruck aus geübt, wobei die Walzen selbst zum Erhitzen des Werkstückes dienen können und dadurch Phasen- grenzflächen erzeugen.
Das Werkstück kann dann den Bearbeitungsweg in umgekehrter Richtung durch laufen, so dass wiederum eine Anzahl von periodi schen Beanspruchungen oder Beanspruchungszyklen auf Grund des Phasenwechsels entstehen, wobei das Werkstück während der ganzen Behandlung unter hinreichenden Pressdrucken und Zugspannungen steht, welche zusammen mit den durch die verschiedenen Phasenwechsel erzeugten zyklischen plastischen Ver formungen die gewünschte Dickenverminderung und Verlängerung an den Walzstellen bewirken.
Gemäss einer anderen Ausführungsform des Ver fahrens gemäss der Erfindung wird ein Metallblech oder eine Folie durch zyklische plastische Torsionen, welche zyklische plastische Verformungen bewirken, mittels einer Bearbeitungsweise ausgezogen, welche in ihrer Wirkung in Anbetracht des fertigen Produktes einer Walzwirkung gleichkommt. Die durch Torsion bewirkte zyklische plastische Verformung bewirkt zusammen mit der Zugbeanspruchung und dem auf das Werkstück ausgeübten Pressdruck eine plastische Verdünnung und Verlängerung des Werkstückes. Auch hier wandert der Ort der plastischen Beanspru chung und Verformung längs des Werkstückes, wäh rend dieses in einer der beiden Richtungen durch eine Biege- bzw. Verdrehungsstelle durchläuft.
Die durch Verdrehen bewirkte Beanspruchung bzw. Verfor mung und der Druck der Presswalzen werden in transversaler Richtung angewendet, während die Zug beanspruchung in Längsrichtung angreift, doch be wirkt auch hier, wie in den vorangehenden Fällen, die Kombination ein Dünnerwerden und eine Ver längerung und führt zu einem Endprodukt, das einem auf konventionelle Weise gewalzten Material ähnelt. Der Zug und der Druck der Presswalzen sind, wie in den vorigen Fällen, erheblich geringer als die zur Erzielung eines solchen Ergebnisses in Abwesenheit eines der beiden Kräfte und der zyklischen plastischen Beanspruchung erforderlichen Zug- bzw. Druckwerte.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform des er findungsgemässen Verfahrens wird ein blech-, strei fen- oder folienartiges Werkstück unter Verlängerung, Ziehen und Verminderung der Dicke bearbeitet, wo bei Press- bzw. Walzdrucke und Zugkräfte, die für sich und gemeinsam genommen zur Erzeugung einer zyklischen plastischen Verformung nicht ausreichen, gemeinsam mit einer durch thermische Mittel er zeugten, zyklischen plastischen Beanspruchung, die eine örtliche plastische Verformung bewirkt, an gewendet werden.
Bezüglich seiner Ergebnisse ent spricht dieses Verfahren ebenfalls dem Walzen. Die örtliche Erhitzung des Werkstückes wird elektrisch bewirkt, so dass Beanspruchungen durch Kontraktion oder thermale Ausdehnung und/oder Phasenwech sel im Werkstückblech erzeugt werden, wobei, wie in den vorstehenden Fällen, die Belastungen in einer transversalen Richtung über die Blechbreite lokali siert und von solcher Grösse sind, dass sie deutliche lokalisierte Wirkungen der plastischen Beanspru chung erzeugen, welche gemeinsam mit der Zugkraft zur Verformung des Werkstückes auf seine endgülti gen Dimensionen führen.
Wegen der Bewegung des Bandes sind die erzeugten plastischen Beanspruchun gen zyklisch, d. h. von periodischer Natur.
Die Verwendung des erfindungsgemässen Ver fahrens zur Herstellung von Stäben, Rohren, Drähten und dergleichen mit verschiedenen Querschnittspro- filen durch Verformung bzw. Verlängern eines rohen Werkstückes erfordert Walzen mit besonders ge formter Oberfläche.
Wenn das Werkstück durch Walzengruppen oder Walzenstühle mit derart aus gebildeten Walzen durchläuft, wird es, wie im Fall der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens bei der Herstellung von Folien, zyklisch plastisch beansprucht, etwa durch Biegen und Geraderichten und gleichzeitige Einwirkung von Zugbeanspruchun gen und Pressdrucken, welche einzeln und gemeinsam in Abwesenheit der zyklischen plastischen Bean- spruchung zur Erzeugung der gewünschten Deforma tion nicht ausreichen. Geeigneterweise wird zur Her stellung des gewünschten Stabes, Rohres oder Drah tes ein rohes bandartiges Werkstück verwendet, wie es zur Herstellung von Folien bei dem erfindungs gemässen Verfahren verwendet wird.
Dabei können die Walzen zusätzlich zur Formgebung des Werk stückes auch zu dessen Verlängerung dienen.
Eine der wesentlichen Entdeckungen, welche die Basis der Erfindung darstellt, besteht darin, dass in Gegenwart einer zyklischen bzw. periodischen plasti schen Verformung bzw. Beanspruchung genügender Grösse für die Erzeugung einer umgekehrten plasti schen Deformation selbst eine relativ geringe Bean spruchung - insbesondere eine ständige Beanspru chung - eine erhebliche Deformation eines Körpers aus verformbarem Material bewirken kann. Insbeson dere für den Fall, wo ein Metallkörper, z.
B. ein Metallblech, einem Presswalzendruck und einer Zug kraft unterworfen wird, welche geringer sind als die zur Erzeugung einer permanten Verlängerung un abhängig voneinander nötigen Kräfte, und wo das Blech gleichzeitig wiederholt gebogen bzw.
geknickt und wieder gerade gerichtet oder auf andere Weise Belastungen ausgesetzt wird, welche zyklische pla stische Verformungen bewirken und mehrmals quer zum Blech angreifen, werden die Zugkraft und der Pressdruck eine ziehende Wirkung auf das Blech ausüben, seine Dicke verringern und seine Länge vergrössern, während gleichzeitig die Breite geregelt wird und die Oberflächenqualität erhalten bleibt oder sogar verbessert wird.
Diese Bearbeitung wird daher in solcher Weise durchgeführt, dass jede Neigung des Bleches zur Verengung an irgendeinem besonde ren Punkt vermieden oder verhindert wird, wobei sich gleichzeitig eine im wesentlichen einheitliche Verringerung der Werkstückdicke und die Herstel lung eines Bleches von praktisch jeder gewünschten Dicke bis zu den dünnsten Bandarten oder Folien, d. h. 0,0254 mm und darunter, ermöglichen lässt.
Im Gegensatz zur typischen Walzbearbeitung wird die Breite des Bleches an keiner Stelle des Verfahrens ganges vergrössert, und dies selbst bei einer Werk stoffdicke von weniger als 0,0254 mm, obwohl die Dicke des Werkstückes in begrenztem und nicht unerwünschtem Masse während dieser Bearbeitung verringert werden kann.
Der bei dem erfindungsgemässen Verfahren an gewandte Pressdruck wird auf das Werkstück zweck mässig an dem Punkt ausgeübt, wo die zyklische plastische Beanspruchung stattfindet. Verglichen mit dem Druck, welcher von den Walzen bisher ge bräuchlicher Walzverfahren ausgeübt wurde, ist dieser Druck relativ gering und tatsächlich für sich allein zum Erzielen einer plastischen Verformung des Werk stückes in der erwünschten Grösse nicht ausreichend. Zur Ausübung dieses Druckes auf das Werkstück werden Walzen bevorzugt, doch ist zu betonen, dass auch andere Mittel mit Erfolg verwendet werden können, wie beispielsweise Stempel oder Backen.
Die Erfindung soll nun anhand von Beispielen in einigen bevorzugten Ausführungsformen näher er läutert werden. In den beiliegenden Zeichnungen zeigt: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des Schemas einer Vorrichtung zur Durchführung einer Ausfüh rungsform des erfindungsgemässen Verfahrens, Fig.2 in grösserem Massstab eine Teilansicht eines Längsschnittes durch einen Teil der Vorrichtung von Fig. 1, welche in übertriebener Weise die Wir kung der Walzen zeigt, Fig. 3 einen Ausschnitt eines seitlichen Aufrisses einer Vorrichtung zur Ausführung der in Fig. 1 und 2 dargestellten Operationen,
wobei Einzelteile der Übersichtlichkeit halber weggebrochen sind, Fig. 4 einen Ausschnitt längs der Linie 4-4 in Fig. 3, Fig. 5 eine graphische Darstellung von Kurven, welche die Wirkung der gemeinsam auf das Werk stück einwirkenden Kombination von zyklischer Ver formung, Presswalzendruck und Zugspannung zeigt, wobei auch die Notwendigkeit des Pressdruckes bei dieser Kombination gezeigt wird, Fig.6 eine andere graphische Darstellung von Kurven mit Daten, welche die Wirkung des erfin dungsgemässen Verfahrens in einer bevorzugten Aus führungsform zeigen,
Fig.7 einen schaubildartigen seitlichen Aufriss einer Vorrichtung zur Ausübung zyklischer Scher- beanspruchungen auf blech- oder bandförmige Werk stücke unter Zug gemäss einer anderen Ausführungs form des erfindungsgemässen Verfahrens, Fig. 8 eine Ansicht wie in Fig. 7 mit der Dar stellung des Blechwerkstückes in der anderen Extrem position der Scherung, Fig.9a einen Längsschnitt eines Ofens, durch welchen ein metallisches Werkstück durchläuft, das an den Stellen der Phasenänderungen dem Druck von Presswalzen ausgesetzt ist,
Fig. 9b eine graphische Darstellung, welche orts mässig der Anordnung des Werkstückes in Fig.9b entspricht und die Temperatur aufeinanderfolgender Teile des Werkstückes bei der Behandlung des Werk stückes im Ofen zeigt, Fig. 10 die perspektivische Ansicht eines Teils der Länge eines Blechwerkstückes, welches einem Torsionszyklus unterworfen wird und gleichzeitig ge mäss einer anderen Ausführungsform des erfindungs gemässen Verfahrens unter Zug steht, Fig. 11 zeigt das Schaubild einer Vorrichtung für die zyklische thermische Beanspruchung eines Blech werkstückes, welches dabei gezogen oder bezüglich einer Dicke verringert und verlängert wird,
wie es gemäss einer anderen Ausführungsform des erfin dungsgemässen Verfahrens möglich ist.
Im einzelnen ist aus den Fig. 1, 2, 3 und 4 zu ersehen, dass Vorrichtungen aus relativ wenigen Einzelteilen zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens unter Pressung, Biegung und Streckung ausreichen. Die Walzen dieser Apparatur und ihre Anordnung zueinander sind am besten in den Fig. 1 und 2 zu erkennen. Fig. 3 und 4 zeigen die Mittel zur Anordnung der Bauelemente, zur Ausübung eines Zuges auf das Blech und zur Anpassung des Druckes zwischen bestimmten Walzenelementen.
Diese Ap paratur besitzt zwei Walzengruppen mit je drei Wal zen, wobei sie in jedem Fall eine Biegewalze und zwei Kontakt- bzw. Presswalzen besitzen, wobei das Werkstück zwischen der Biegewalze und den dieser gegenüberliegenden Presswalzen liegt. Wie in Fig. 1 gezeigt, wird das zu verarbeitende Blechwerkstück S auf eine Vorratsrolle oder -walze 10 gebracht, von zwei Gruppen von Arbeitswalzen bearbeitet und auf der Aufnahmewalze 12 aufgespult. Die Walzen 10 und 12 können alternativ als Vorratswalze und Auf wickelwalze betrachtet werden, je nach der Laufrich tung des Werkstückbleches durch die Apparatur zu einem gegebenen Zeitpunkt.
Wie in Fig. 1 und 3 gezeigt, verändern die Walzen 10 und 12 während des Arbeitens der Apparatur ihre Stellung nicht. Durch ein differentielles Verdrehungsmoment oder die Winkelgeschwindigkeit dieser Walzen wird zur Erzeugung der gewünschten Dickenverminderung eine Zugkraft auf das Werkstück S ausgeübt.
Die zyklische, plastische Verformung des unter Zugspannung liegenden Werkstückes und die erfin dungsgemäss angewendeten Pressdrucke zum Erzielen der gewünschten Verlängerung entstehen, wenn das Werkstück zwischen einander gegenüberstehenden Walzen jeder Drei-Walzen-Gruppe durchläuft. Die Funktion, welche die zyklische Verformung bewirkt, ist am besten in Fig. 2 zu erkennen.
Das unter Zug liegende Werkstück S bewegt sich von rechts nach links um die Biegewalze 13, wird beim Durchlaufen zwischen der Walze 13 und der Press- oder Kontakt walze 14 gebogen und dann beim Durchlaufen zwi schen Press- oder Kontaktwalze 15 und Biegewalze 13 zurückgebogen bzw. geradegerichtet. Wegen der Anordnung der Walzen zueinander wird ein hoher Grad von Hebelwirkung erzielt, so dass vergleichs weise kleine Kräfte eine plastische Verformung bzw. die in Fig.2 dargestellte Biege- und Ausrichtungs wirkung hervorrufen. Die Biegewalze 13 ist beweg lich, die Kontaktwalzen sind fest gelagert.
Der Grad der Dickenverringerung des Werkstük- kes ist eine Funktion des auf dieses wirkenden Zuges, der beim Biegen des Bandes um die Biegewalze er zeugten plastischen Beanspruchung und des Druckes zwischen den einzelnen Presswalzen und der Biege walze. Sie ist auch eine Funktion der sofort auf tretenden Fliess- bzw. Streckspannung des Werk stückmaterials.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung sind zwei Gruppen von Press- und Biegewalzen 13, 14 und 15 entsprechend der in Fig. 1 dargestellten Weise an geordnet, mit der Abänderung, dass die Biegewalzen 13 im Rahmen 21 fest gelagert sind, wobei die Lagerungsart im Maschinenrahmen in Fig.4 dar gestellt ist. Die Presswalzen 14 und 15 sind beweglich, weil sie im Walzenrahmen 17 gelagert sind. Der Walzenrahmen ist zwischen einem Paar von im Abstand voneinander angebrachten, den Hebel oder Arm 19 bildenden Organen angeordnet und mittels eines Drehbolzens 18 mit diesen verbunden.
Der Hebel 19 ist seinerseits am Punkt 20 drehbar mit dem Maschinenrahmen bzw. Gerüst verbunden.
Ein zweiter Arm 26 ist drehbar mit dem freien Ende des Armes 19 verbunden, so dass dieser um seinen Drehbolzen 20 bewegt und die Kraft zwischen den Presswalzen 14 und 15 und der Biegewalze 13 durch einfaches Belasten des Hebels bzw. Armes 26 geregelt werden kann.
Eine zweite Walzengruppe mit den Walzen 13, 14 und 15 ist in ähnlicher Weise in Arbeitsbeziehung mit dem Maschinenrahmen und dem Arm 19 ge lagert, so dass mit dieser Walzengruppe die gleiche Wirkung erzielt wird wie mit der oben beschriebenen ersten Walzengruppe.
So ist auch hier die Biegewalze in dem gegabelten Rahmen 21 gelagert, und die Press- walzen 14 und 15 sind ihrerseits auf einem anderen Walzenrahmen 17 gelagert, der seinerseits mittels eines anderen Drehbolzens 18 mit einem Teil des Armes 19 auf der entgegengesetzten Seite des Lager bolzens 20 vom Verbindungspunkt der oben be schriebenen ersten Walzenjochanordnung verbunden ist.
Beim Betrieb der in Fig. 3 beschriebenen Vor richtung entsprechend der Beschreibung von Fig. 1 wird das Werkstück auf den Walzen 10 und 12 auf- bzw. abgewickelt, wobei diese Walzen den nötigen Zug auf das Werkstück in konstanter Weise ausüben. Das Werkstück wird über die erste Biegewalze und unter der zweiten durchgeführt, wobei es mit den beiden Gruppen von Presswalzen an den Punkten des Biegens und Zurückbiegens in Kontakt kommt.
Das Werkstück erfährt unter der in Fig. 2 dargestell ten und beschriebenen Wirkung eine zunehmende Dickenverringerung. Da, wie oben beschrieben, der Grad der Dickenverringerung eine Funktion der so fortigen Fliessspannung des Materials, des am Band angreifenden Zuges, der Kraft oder des Druckes der Presswalzen und des Ausmasses der zyklischen plastischen Verformung bzw. der Verbiegung ist, kann der Grad der Dickenabnahme -der Material stärke, welche pro Lauf erzielt wird, ohne weiteres durch Regelung der Spannung des Werkstückes inner halb bestimmter Grenzen durch Anpassung des Dreh momentes der Walzen bzw. deren Winkelgeschwin digkeit, d. h. der Kraft, welche das Werkstück vor wärts und rückwärts bewegt, bewirkt werden.
Die Dickenverringerung pro Zeiteinheit kann auch durch Regelung des Druckes zwischen den Druckwalzen und den entsprechenden Biegewalzen geregelt werden, obwohl dies in gewissem Masse auch auf die Ände rung des Ausmasses der plastischen Biegung des Werkstückes an den Biegewalzen einwirkt, insbeson dere wenn das Werkstück im Verhältnis zu den Walzendurchmessern relativ dünn ist. Diese Regelung kann durch Belasten des Armes 26 derart bewirkt werden, dass er sich wie in Fig. 3 dargestellt nach unten bewegt.
Als Anwendungsbeispiel der in den Fig. 3 und 4 gezeigten Vorrichtung bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens wurde ein Metallband mit der ursprünglichen Dicke von 1,016 mm und einer Breite von 25,4 mm in einer Vorrichtung ge mäss Fig. 3 verarbeitet, welche zwei 25,4-mm-Biege- walzen sowie Druckwalzen gleicher Grösse besass.
Die kontinuierlich und umkehrbar arbeitende Vorrichtung wurde so betrieben, dass das Werkstück praktisch mit ganzer Länge in einer Richtung und darauf in glei chem Masse in der anderen Richtung durchgeführt wurde, wobei es durch die an beiden Enden der Vor richtung liegenden Walzen auf- bzw. abgewickelt wurde. Die Vorrats- bzw. Aufnahmewalzen wurden so betrieben, dass sie die im Band erforderlichen Zugkräfte bewirkten. Die relativen Geschwindigkeiten jeder Walze sind zu diesem Zweck innerhalb eines weiten Bereiches regelbar. Auf den Enden des Armes 26 angebrachte Gewichte bewirkten eine Kraft bzw. einen Druck zwischen den Druckwalzen und den Biegewalzen, welche dem festgesetzten Endergebnis entsprach.
Das Werkstück bestand aus sauerstofffreiem, hochleitfähigem Kupfer in Rohrform und wurde in der Kälte oder bei Raumtemperatur bearbeitet. Die Fliessspannung dieses Materials beträgt normalerweise ungefähr 3515 kglcm2. In der graphischen Darstel lung von Fig.5 sind die unter veränderten Walz- bedingungen mit der Apparatur erhaltenen Resultate schaubildartig dargestellt. Auf der Ordinate sind die Blechdicken in Millimetern und auf der Abszisse die Anzahl der Durchläufe eingetragen.
Die Daten, aus denen sich die Kurve A zusammensetzt, wurden während eines Betriebslaufes gefunden, bei welchem während des wiederholten Biegens und Geraderich- tens des Werkstückes um die 25,4-mm-Walze beim Durchlaufen der Vorrichtung in beiden Richtungen unter einer Zugspannung von 2812 kg/cm2 am dünneren Ende des Bandes kein Pressdruck auf das Werkstück ausgeübt wurde. Eine Aufrauhung der Oberfläche des Werkstückes machte sich in zuneh mender Weise bemerkbar, bis sich Risse entwickelten, welche schliesslich zu einer Trennung des Streifens an der Stelle führten, welche das untere Ende der Kurve A bezeichnet.
Kurz vor der Zerstörung des Werk stückes war der Oberflächenzustand derart, dass das Produkt praktisch unbrauchbar war, was die Not wendigkeit der Druckwalzen für dieses erfindungs gemässe Verfahren verdeutlicht.
Die Messdaten, aus denen sich die Kurve B zusammensetzt, wurden bei einem Betriebslauf einer Walzbehandlung gesammelt, die sich von dem oben beschriebenen Vorgehen nur dadurch unterschied, dass von jeder der Druckwalzen mit 25,4 cm Durch messer kontinuierlich ein Druck von 35,71 kgfcm ausgeübt wurde. Es ist zu bemerken, dass die tat sächliche Dickenverminderung des Werkstückes nicht erheblich gegenüber der ohne Berührungskraft er zielten Verminderung verschieden war, dass aber eine gute Oberflächenqualität des erhaltenen Bleches er- zielt wurde, obwohl es in den ersten Stadien ziemlich rauh erschien.
Das Band brach bei dieser Unter suchung nicht, doch wurde ein Punkt von verminder ter Wirksamkeit erreicht, wie er durch die asympto- tische Form der Kurve B angezeigt ist. Als die plastische Biegungsverformung für die praktisch sinn volle Fortsetzung des Verfahrens zu klein geworden war, wurde die Untersuchung am unteren Endpunkt der Kurve B abgebrochen.
Die durch Kurve C dargestellten Daten wurden bei einer Betriebsart gefunden, welche der von Kurve B entsprach, mit dem Unterschied, dass die Druck kraft 107,13 kg pro cm Walze betrug. Die Kurve C deutet an, dass pro Durchlauf eine ziemlich gleich- mässige Verringerung von ungefähr 17 % mit ab- nebmender Werkstückdicke erzielt wird.
Kurve D stellt Daten dar, welche bei einer Arbeitsweise ent sprechend Kurve C erhalten wurde, mit der Abände rung, dass eine Druckwalze mit einem Durchmesser von 12,7 mm verwendet wurde. Ein erhebliches An wachsen der Wirksamkeit der Vorrichtung ist zu er kennen, besonders wenn das band- oder blechförmige Werkstück relativ dünn wird. Solange das Band oder das Blech relativ dick ist, scheint die Walze mit kleinem Durchmesser gegenüber den Walzen grossen Durchmessers nur eine geringe Wirkung auszuüben, mindestens dann, wenn das Zugkraftniveau ver gleichsweise niedrig liegt.
Im Bereich von Dicken unter 0,254 mm spielt die Presswalze mit kleinem Durchmesser bei der schnelleren Verminderung der Dicke des Werkstückes jedoch eine wesentliche Rolle, was insbesondere in Fig. 6 deutlich zum Ausdruck kommt.
In der Fig. 6 sind auf der Ordinate die Blech dicken in Millimetern und auf der Abszisse die An zahl der Durchläufe aufgetragen. Die durch die Kurve E von Fig. 6 dargestellten Daten wurden bei einer Zugbelastung des Werkstückes von 2812 kg/cm= und einem Druck der Presswalze von 35,71 kg pro cm Walze erhalten. Zur Messung der Daten von Kurve E wurden Presswalzen mit einem Durchmesser von 2,54 cm verwendet, während für Kurve F 12,7- mm-Presswalzen verwendet werden.
Dicken bis hin unter zu 0,0762 mm wurden unter den Bedingungen der Kurve C bei der Verarbeitung von Bändern er reicht, wobei die Oberflächenqualität dieser sehr dünnen Folie bzw. Bänder höchst gleichmässig aus fiel, wie dies auch bei den Kurven E und den Kurven <I>B,</I> C und<I>D</I> von Fig. 5 der Fall war, wo ebenfalls Presswalzen verwendet wurden.
Unter Bezugnahme auf Fig. 7 und 8 wird eine zyklische Scherbeanspruchung und eine daraus sich ergebende Verformung bei einem Band oder Blech 30 des zu verlängernden und bezüglich seiner Dicke zu verringernden metallischen Werkstückes erzeugt und ergibt ein Produkt, wie es in Übereinstimmung mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren und der Vorrichtung erhalten wird. Das in diesen Zeichnun gen dargestellte Scherstadium zeigt in Teilansicht eine Maschine, welche zur Ausführung dieser Aus führungsform des erfindungsgemässen Verfahrens ver wendet werden kann. Dementsprechend ergibt sich beispielsweise, dass Vorrats- und Aufwickelwalzen, wie z.
B. die Walzen 10 und 12 zur Bewegung des Werkstückes 30 durch die Vorrichtung in beiden Richtungen an beiden Enden der Maschine vor gesehen werden können, so dass aufeinanderfolgende Teile der Länge des Werkstückes den für die Ver längerung des Werkstückes unter relativ geringen Zugkräften wesentlichen Scherbeanspruchungen wie derholt ausgesetzt werden können. Das Werkstück wird gezogen, in oszillierender Weise geschert und relativ leicht gepresst, so dass sich die gewünschte Verminderung ergibt.
Die in den Fig. 7 und 8 dargestellte Vorrichtung kann in geeigneter Weise zwei sich hin und her be wegende Druckstangen oder Druckorgane besitzen (nicht dargestellt), welche in vertikaler Richtung wirken und zwei Gruppen von vertikal ausgerichte ten, laminierten Metallblechen oder Platten 31 und 32 in vertikaler Richtung bewegen, wobei die einzelnen Platten relativ zueinander gleiten und eine zyklische Scherung auf das Band ausüben, an das sie anliegen. Das Band wird durch die Schervorrichtung durch gezogen, so dass ein gegebener Teil der Bandlänge in einer transversalen Richtung durch Scherung ver formt wird, während es über den Mittelpunkt der Vorrichtung wandert.
Die Vertikalverschiebung der jeweiligen Blattanordnungen der Schervorrichtung kann in irgendeiner geeigneten Weise durch Anschlag stücke begrenzt sein, so dass die erzeugte Scherbean- spruchung unterhalb eines Wertes von 2-4 % ge- halten wird.
Dies ist der bevorzugte Bereich, stellt jedoch keine Beschränkung dar, weil im einzelnen Fall die Zusammensetzung des Werkstückes, seine Temperatur und seine Vorgeschichte die für den Einzelfall vorteilhaft anzuwendende Behandlung be stimmen.
In Fig.9a ist in schaubildmässiger Weise eine Vorrichtung dargestellt, welche zur Durchführung des Verfahrens mit zyklischen bzw. periodischen Phasenänderungen zur Herbeiführung zyklischer bzw. periodischer plastischer Beanspruchungen dient. Unter Verwendung von Walzen, wie z. B. Walzen 10 und 12 in Fig. 1 zum Transport des Werkstückes 38 in diesem Verfahrensabschnitt, wird das Werkstück vorzugsweise wiederholt in eine Richtung und dann in der anderen wie in den oben beschriebenen Ver fahren durch diesen Verfahrensabschnitt bewegt.
Da diese Ausführungsform des erfindungsgemässen Ver fahrens die Veränderung der Temperatur des Bandes in ziemlich ausgeprägter und schneller Weise erfor dert, wird ein Ofen 40 vorgesehen, durch welchen das Werkstück auf seine Transitionstemperatur und wieder abgekühlt werden kann, wie dies im Schaubild von Fig. 9b dargestellt ist, wo die Temperaturände rung des Werkstückes zum Ort der jeweiligen Stelle des Werkstückes im Ofen in Beziehung gesetzt ist.
Zwei Gruppen von einander entgegengesetzten Druckwalzen 42 und 43 sind zur Führung des Werk stückes im Ofen an den Stellen angeordnet, wo das Werkstück seine durch die Punkte 44 und 45 auf der Temperaturortskurve von Fig. 9b angedeuteten Pha senübergangs- bzw. Transitionstemperaturen erreicht.
Wegen der Konzentration von Beanspruchungen an den Grenzflächen zwischen jedem Phasenpaar und der entsprechenden plastischen Verformung wird die Dicke des Werkstückes durch relativ niedrige Zug beanspruchungen und Presswalzendrucke, welche wie oben beschrieben konstant gehalten werden, ver ringert; im Idealfalle setzt diese Verringerung an den Grenzflächen ein, wie dies in der Zeichnung dar gestellt ist. Die Temperaturregelung der aufeinander folgenden Teile des Werkstücks im Ofen ist zur Er zielung und Erhaltung des Ortes jeder Phasengrenz- fläche wichtig.
Die Phasengrenzflächen können mit stehenden Wellen verglichen werden, welche in den Teilen des Werkstückes entstehen, die bei der Längs bewegung zwischen der Druckwalzengruppe 42 und der Gruppe 43 liegen.
In Fig. 10 ist die Ausführungsform des erfin dungsgemässen Verfahrens in perspektivischer Dar stellung gezeigt, welche das Verbiegen oder Schrän ken aufeinanderfolgender Längen des Werkstückes 55 durch irgendeine geeignete Methode verwendet. Die dargestellte Verbiegung oder Verschränkung kann auf das Werkstück einwirken, während dieses durch ein Gesenke oder eine Schränkwalze geeigneter Aus führung geführt wird, welche mit Presswalzen aus gerüstet ist und zwischen den in der oben beschriebe nen Weise arbeitenden Walzen 10 und 12 liegt.
Auf diese Weise werden im Werkstück an den Stellen des Verbiegens und Zurückbiegens zyklische Torsions- beanspruchungen erzeugt, wobei die Presswalzen- drucke an diesen Stellen auf das Werkstück ein wirken. Zusammen mit den konstant auf das Werk stück wirkenden Zugkräften bewirken diese Torsions- kräfte und Presswalzendrucke eine zum gewünschten Produkt führende Verlängerung und Dickenvermin derung.
In Fig. 11 ist das Werkstück 58 dargestellt, das auch hier in geeigneter Weise zwischen den Walzen 10 und 12 in den beiden Richtungen durch einen Verfahrensabschnitt geführt wird, der an einer Stelle des Bearbeitungsweges liegt, wo eine thermische Beanspruchung zur Unterstützung der Zugbean spruchung einwirkt und dadurch die Verlängerung und Dickenverminderung bewirkt.
Die Walzen 59 und 60 greifen auf gegenüberliegenden Flächen des Blechwerkstückes an, während dieses unter Spannung liegt; wegen einer elektrischen Spannungsdifferenz zwischen diesen Walzen und dem Band wird ein Stromfluss bewirkt, so dass eine örtliche Erhitzung in messbarem oder auch sehr erheblichem Ausmasse an der Berührungsstelle des Werkstückes entsteht. Die aus dieser Erwärmung entstehenden thermischen Beanspruchungen bewirken eine örtliche plastische Verformung, die während der fortgesetzten Bewegung des Bandes zyklisch ist und zu einer Verlängerung des unter relativ leichtem Zug stehenden metallischen Werkstückes führt.
Die Walzen 59 und 60 können auf das Werkstück in ähnlicher Weise einwirken wie die Druckwalzen 14 und 15, welche mit den Biege walzen 13 in den Fig. 1-4. einen leichten Walzendruck ausüben. Die Oberfläche des Werkstückes wird da durch gegen die Neigung zur Rissbildung und gegen die allgemeine Qualitätsverminderung während der Verformungsoperation geschützt.
Es konnte gezeigt werden, dass die hier beschrie bene Methode zur wirksamen Verringerung der Dicke und zur Vergrösserung der Länge eines Bandes ge eignet ist, wobei das Verhältnis der Banddicke zum Durchmesser der Biegewalzen anfänglich 0,40 ist und mit der Verminderung der Dicke auf<B>0,001</B> fällt: Grössere oder kleinere anfängliche Verhältnisse, wie beispielsweise 0,02 oder 0,08, werden im allgemeinen zufriedenstellend wirken, in Abhängigkeit von der Bruchempfindlichkeit des gewalzten Materials und dem Belieben desjenigen, der das Verfahren steuert.
In ähnlicher Weise ist das Verhältnis der Druck walze zur Biegewalze nicht auf die hier verwendeten speziellen Grössen beschränkt, sondern kann in der Weise verändert werden, wie es bezüglich der kon struktiven Gegebenheiten und der Wirkung zum Er zielen der verlangten Dickenverringerung geeignet erscheint.
In der Praxis sollte die ursprüngliche Dicke des Bandmaterials nicht grösser als 76,2 mm sein, und für den Fall, dass das Band aus Stahl ist, sollte sie vorzugsweise nicht grösser als 25,4 mm sein. Der artige Bänder können erfindungsgemäss heiss auf eine Dicke von ungefähr 2,54 mm gewalzt werden und dann auf die verlangte Enddicke in Fortführung der Methode durch Kaltwalzen gebracht werden.
Das vorliegende Verfahren ist auf jeden läng lichen Körper anwendbar, der in dem Sinne verform bar ist, wie band- oder blechförmiger Stahl bei Raum temperatur. Dementsprechend kann das beschriebene Verfahren auf ein Werkstück aus einem Material an gewendet werden, das zwar bei Raumtemperatur nicht verformbar ist, das aber mit Erfolg bei einer Temperatur erheblich unter oder erheblich über Raumtemperatur mit Erfolg dem erfindungsgemässen Verfahren unterworfen werden kann, was von der relativen Plastizität oder Sprödigkeit des Werkstückes bei Raumtemperatur abhängt.
Method and device for deforming metal workpieces The present invention relates to a method for deforming metal workpieces by increasing their length and reducing their thickness by means of bending, compressive and tensile forces. The invention also applies to an apparatus for carrying out the method, which has a frame and a plurality of rollers and means for guiding the elongated metal work piece, which is held under tension, back and forth through the rollers.
The high cost of conventional metal working machines and devices, such as Wal zenstrassen for rolling iron and steel into products of smaller thickness, has long been an important problem. So far, however, this problem could not be solved satisfactorily, and accordingly the use of rolling processes, especially in the production of thinly calibrated Mate rials, is limited by the large amount of capital required.
For the entire range of thicknesses or strengths of metal sheets and strips, the processing machines currently used on an industrial scale are bulky, heavy and expensive and do not differ - at least in their essential features - from the devices which were already in general use many years ago .
The present invention is now intended to enable metalworking under certain conditions by applying rolling forces which are considerably less than the methods currently in use. The invention is intended to provide the opportunity to expand the use of certain methods and devices and drive conventional metal products with new Ver and produce devices.
In addition to the considerable reduction in the size of the roll forces previously required in the conventional Vorrich lines, the invention is intended to provide the advantage of a considerably better control of the thickness tolerance during the reduction in thickness of very wide sheets or sheet metal strips. The uniformity or uniformity of the strip thickness over the entire width of the strip should be actively maintained, with reductions in thickness which occur when the present method is being carried out should be compensated for.
This property is of particular value and of great applicability in the processing of sheet metal or strip material of such hardness that it could not be easily reduced in thickness by rolling using previously known methods.
Another advantage of the invention is said to be that the method can be carried out under certain regulated ambient conditions, such as temperature, atmosphere and the like.
The invention is intended to be applicable to the rolling of elongated metal workpieces in the production of sheets, strips or foils of various types, wires, rods and tubes with various cross-sectional shapes in various material compositions and types of material.
The method according to the invention is characterized in that the workpiece is subjected to a cyclical plastic bending deformation and that the three forces act simultaneously on each successive part of the workpiece with a total amount sufficient only for the deformation of the workpiece to create a surface -Avoid deterioration of the machined workpiece.
The device for carrying out the method is characterized by a first bending roller mounted in the frame, a rotatably mounted next to the first bending roller, first pressure roller, which is used to generate a pressure across the width of the workpiece when it first comes into contact with the bending roller tion comes, a rotatably mounted second pressure roller next to the first bending roller, which is arranged so that it exerts pressure on the width of the workpiece when it leaves the first bending roller, also a radially mounted at a distance from the first bending roller in the frame second bending roller, a third pressure roller rotatably mounted next to the second bending roller,
which is used to generate pressure across the width of the workpiece when it first comes into contact with the second bending roller, and a fourth pressure roller rotatably mounted next to the second bending roller to generate pressure across the width of the workpiece when it is detaches from the second bending roller.
According to one embodiment of this method, the cyclic plastic deformation is brought about by repeatedly bending the workpiece back and forth. The method can be carried out with a device in which the metallic work piece passes between a pair of opposing rollers which act on the workpiece and exert a contact pressure on the points where the cyclic plastic deformation takes place.
The effect of pressure is always relatively low during the process and becomes more effective with decreasing thickness or increasing length of the workpiece. Compared with the rolling processes that have been used up to now, the pressure exerted by the rollers on the workpiece is preferably much lower, with the cyclic plastic deformation increasing the effect of the contact force to such an extent that plastic deformation (elongation) of the workpiece is caused.
This rolling process will normally ent neither require repeated reciprocation of the workpiece on a process line, wherein the workpiece is repeatedly bent and straightened; on the other hand, the material can also be passed through a single process line with several groups of rollers. In both cases, the workpiece is repeatedly subjected to the simultaneous action of compressive force, tensile force and cyclic plastic deformation, so that it is stretched by successive length increments.
The method according to the invention can also be carried out with great advantage in a manner which is similar to rolling only with regard to the products obtained. For example, in a process similar to rolling, the sheet metal material can be fed lengthwise through a process station, with successive parts or segments of the length of the workpiece being exposed to cyclic shear stresses which cause cyclic plastic shear deformations in the workpiece while it is in one of the two directions passes through the processing line.
With this type of processing, as well as with the type of rolling under pressure, bending and stretching described above, the workpiece sheet is constantly subjected to tension and thereby lengthened while reducing its thickness, without the width of the workpiece being affected by the combination of the cyclic plastic shear deformation, the Pressure force and the tensile force is reduced. Here, too, the compressive force and tensile force are somewhat lower than the forces required to produce the same elongation and reduction in thickness in the absence of cyclic plastic shear deformation.
According to a further embodiment of the method according to the invention, the sheet-metal or strip-shaped workpiece is subjected to a combination of tensile forces, compressive forces and those forces which arise as a result of a phase change and produce a plastic deformation at the phase interface, which also results in an elongation of the workpiece while reducing its thickness and constant width results. For this purpose, the workpiece is subjected to different temperatures in a processing line. If the workpiece is made of a corresponding metal, it experiences a considerable change in volume when the phase changes.
On the processing path, the temperature generators are arranged so that when the workpiece is pulled through in one of the two directions, a boundary layer or several boundary layers are ent between the two phases, the boundary layer in each case being transverse to the workpiece, e.g. B. a sheet, it stretches so that the boundary layer migrates in the longitudinal direction through the workpiece when it passes through the machining path.
In the area of the boundary surfaces, pressure is exerted on the workpiece by means of opposing pressure rollers, the rollers themselves being able to serve to heat the workpiece and thereby generate phase boundary surfaces.
The workpiece can then run through the machining path in the opposite direction, so that in turn a number of periodic loads or load cycles arise due to the phase change, the workpiece being under sufficient pressure and tensile stress throughout the treatment, which together with the various Cyclic plastic deformations produced by phase changes cause the desired reduction in thickness and elongation at the rolling points.
According to another embodiment of the method according to the invention, a metal sheet or a foil is drawn out by cyclic plastic torsions, which cause cyclic plastic deformations, by means of a processing method which, considering the finished product, is equivalent to a rolling effect. The cyclic plastic deformation caused by torsion, together with the tensile stress and the pressure exerted on the workpiece, causes a plastic thinning and lengthening of the workpiece. Here, too, the location of the plastic stress and deformation moves along the workpiece, while it passes through a bending or twisting point in one of the two directions.
The stress or deformation caused by twisting and the pressure of the press rollers are applied in the transverse direction, while the tensile stress acts in the longitudinal direction, but here too, as in the previous cases, the combination of thinning and lengthening and leads to an end product that resembles a material rolled in a conventional manner. The tension and pressure of the press rollers are, as in the previous cases, considerably less than the tension or compression values required to achieve such a result in the absence of one of the two forces and the cyclic plastic stress.
According to a further embodiment of the method according to the invention, a sheet-metal, strip-like or film-like workpiece is machined with extension, pulling and reduction in thickness, where in pressing or rolling pressures and tensile forces, taken individually and together, to generate a cyclic plastic Deformation is not sufficient, together with a cyclic plastic stress generated by thermal means, which causes local plastic deformation, to be applied.
In terms of its results, this process also corresponds to rolling. The local heating of the workpiece is effected electrically, so that stresses due to contraction or thermal expansion and / or phase changes are generated in the workpiece sheet, whereby, as in the above cases, the loads are localized in a transverse direction across the sheet width and of such magnitude are that they generate significant localized effects of the plastic stress, which together with the tensile force lead to the deformation of the workpiece to its final dimensions.
Because of the movement of the belt, the plastic stresses generated are cyclic; H. of a periodic nature.
The use of the inventive method for producing rods, tubes, wires and the like with different cross-sectional profiles by deforming or lengthening a raw workpiece requires rollers with a specially shaped surface.
When the workpiece passes through groups of rollers or roller mills with rollers formed in this way, it is, as in the case of the implementation of the inventive method in the production of foils, cyclically plastically stressed, for example by bending and straightening and simultaneous action of tensile stresses and pressure, which individually and collectively in the absence of the cyclical plastic stress to produce the desired deformation are not sufficient. Suitably, a raw band-like workpiece is used for the manufacture of the desired rod, tube or wire th, as is used for the production of films in the fiction, according to the method.
In addition to shaping the work piece, the rollers can also serve to extend it.
One of the essential discoveries, which forms the basis of the invention, is that in the presence of a cyclic or periodic plastic deformation or stress of sufficient magnitude for the generation of a reverse plastic deformation, even a relatively low stress - in particular a constant stress chung - can cause significant deformation of a body made of deformable material. In particular for the case where a metal body, e.g.
B. a metal sheet, a press roll pressure and a train force is subjected, which are less than the forces required to generate a permanent extension un dependent on each other, and where the sheet is repeatedly bent or repeated at the same time.
bent and straightened again or otherwise exposed to loads that cause cyclic plastic deformations and attack several times across the sheet, the tensile force and the pressure exert a pulling effect on the sheet, reducing its thickness and increasing its length, while at the same time the width is regulated and the surface quality is maintained or even improved.
This machining is therefore carried out in such a way that any tendency for the sheet to constrict at any particular point is avoided or prevented, while at the same time a substantially uniform reduction in workpiece thickness and the production of a sheet of virtually any desired thickness up to thinnest types of tape or foils, d. H. 0.0254 mm and below, allows.
In contrast to typical rolling, the width of the sheet is not increased at any point in the process, even with a material thickness of less than 0.0254 mm, although the thickness of the workpiece can be reduced to a limited and not undesirable extent during this processing .
The pressure applied in the method according to the invention is expediently exerted on the workpiece at the point where the cyclic plastic stress takes place. Compared with the pressure exerted by the rollers of previously common rolling processes, this pressure is relatively low and actually not sufficient on its own to achieve a plastic deformation of the workpiece in the desired size. Rollers are preferred for exerting this pressure on the workpiece, but it should be emphasized that other means such as punches or jaws can also be used with success.
The invention will now be explained in more detail by means of examples in some preferred embodiments. In the accompanying drawings: Fig. 1 shows a perspective view of the scheme of a device for carrying out an embodiment of the inventive method, Fig. 2 on a larger scale a partial view of a longitudinal section through part of the device of Fig. 1, which in an exaggerated manner the We effect of the rollers, Fig. 3 shows a section of a side elevation of a device for performing the operations shown in Figs. 1 and 2,
with individual parts broken away for the sake of clarity, Fig. 4 shows a section along the line 4-4 in Fig. 3, Fig. 5 shows a graphical representation of curves which show the effect of the combination of cyclical deformation, press roll pressure acting on the work piece together and shows tensile stress, the necessity of the pressing pressure is also shown in this combination, FIG. 6 shows another graphical representation of curves with data which show the effect of the method according to the invention in a preferred embodiment,
7 shows a diagrammatic side elevation of a device for exerting cyclical shear stresses on sheet-metal or strip-shaped work pieces under tension according to another embodiment of the method according to the invention, FIG. 8 shows a view as in FIG. 7 with the representation of the sheet metal work piece in FIG the other extreme position of the shear, Fig. 9a a longitudinal section of a furnace through which a metallic workpiece passes which is exposed to the pressure of press rollers at the points of phase changes,
Fig. 9b is a graphical representation which corresponds in terms of location to the arrangement of the workpiece in Fig. 9b and shows the temperature of successive parts of the workpiece during the treatment of the workpiece in the furnace, Fig. 10 is a perspective view of part of the length of a sheet metal workpiece, which is subjected to a torsion cycle and at the same time ge according to another embodiment of the inventive method is under tension, Fig. 11 shows the diagram of a device for the cyclic thermal loading of a sheet metal workpiece, which is thereby drawn or reduced and lengthened in terms of thickness,
as is possible according to another embodiment of the method according to the invention.
In detail, it can be seen from FIGS. 1, 2, 3 and 4 that devices made up of relatively few individual parts are sufficient to carry out the method according to the invention with compression, bending and stretching. The rollers of this apparatus and their mutual arrangement can best be seen in FIGS. 3 and 4 show the means for arranging the components, for exerting a tension on the sheet metal and for adapting the pressure between certain roller elements.
This Ap paratur has two groups of rollers, each with three rollers, and in each case they have a bending roller and two contact or press rollers, the workpiece being located between the bending roller and the press rollers opposite this. As shown in FIG. 1, the sheet metal workpiece S to be processed is brought onto a supply roll or roll 10, processed by two groups of work rolls and wound onto the take-up roll 12. The rollers 10 and 12 can alternatively be viewed as a supply roller and winding roller, depending on the direction of the workpiece sheet through the apparatus at a given time.
As shown in Figs. 1 and 3, the rollers 10 and 12 do not change their position during the operation of the apparatus. A tensile force is exerted on the workpiece S by a differential torque or the angular speed of these rollers in order to produce the desired reduction in thickness.
The cyclical, plastic deformation of the workpiece under tension and the pressing pressures used in accordance with the invention to achieve the desired extension arise when the workpiece passes between opposing rollers of each three-roller group. The function that causes the cyclic deformation can best be seen in FIG.
The under tension workpiece S moves from right to left around the bending roller 13, is bent when passing between the roller 13 and the press or contact roller 14 and then bent back when passing between the press or contact roller 15 and the bending roller 13 or straightened. Because of the arrangement of the rollers with respect to one another, a high degree of leverage is achieved so that comparatively small forces cause plastic deformation or the bending and alignment effect shown in FIG. The bending roller 13 is movable Lich, the contact rollers are fixed.
The degree of reduction in thickness of the workpiece is a function of the tension acting on it, the plastic stress and the pressure between the individual press rollers and the bending roller when the belt is bent around the bending roller. It is also a function of the flow or yield stress of the workpiece material that occurs immediately.
In the device shown in Fig. 3, two groups of pressing and bending rollers 13, 14 and 15 are arranged in accordance with the manner shown in Fig. 1, with the modification that the bending rollers 13 are fixedly mounted in the frame 21, the type of storage is placed in the machine frame in Fig.4 represents. The press rollers 14 and 15 are movable because they are mounted in the roller frame 17. The roller frame is arranged between a pair of spaced apart members forming the lever or arm 19 and is connected to them by means of a pivot pin 18.
The lever 19 is in turn rotatably connected to the machine frame or scaffolding at point 20.
A second arm 26 is rotatably connected to the free end of the arm 19 so that it moves around its pivot pin 20 and the force between the press rollers 14 and 15 and the bending roller 13 can be regulated by simply loading the lever or arm 26.
A second group of rollers with rollers 13, 14 and 15 is similarly supported in working relationship with the machine frame and arm 19 so that the same effect is achieved with this group of rollers as with the first group of rollers described above.
Here, too, the bending roll is mounted in the forked frame 21, and the press rolls 14 and 15 are in turn mounted on another roll frame 17, which in turn bolts by means of another pivot pin 18 with part of the arm 19 on the opposite side of the bearing 20 is connected from the connection point of the above-described first roller yoke assembly.
During operation of the device described in FIG. 3 in accordance with the description of FIG. 1, the workpiece is wound or unwound on the rollers 10 and 12, these rollers exerting the necessary train on the workpiece in a constant manner. The workpiece is passed over the first bending roll and under the second, coming into contact with the two sets of press rolls at the points of bending and bending back.
The workpiece experiences an increasing reduction in thickness under the illustrated and described effect in Fig. 2. Since, as described above, the degree of reduction in thickness is a function of the continuous flow stress of the material, the tension acting on the belt, the force or pressure of the press rollers and the extent of the cyclical plastic deformation or bending, the degree of thickness decrease can -The material strength, which is achieved per run, easily by regulating the tension of the workpiece within certain limits by adjusting the torque of the rollers or their angular speed, d. H. the force that moves the workpiece forwards and backwards.
The reduction in thickness per unit of time can also be regulated by regulating the pressure between the pressure rollers and the corresponding bending rollers, although to a certain extent this also affects the change in the extent of the plastic bending of the workpiece on the bending rollers, in particular when the workpiece is in relation to the roller diameter is relatively thin. This regulation can be effected by loading the arm 26 in such a way that it moves downwards as shown in FIG. 3.
As an application example of the device shown in FIGS. 3 and 4 when carrying out the method according to the invention, a metal strip with the original thickness of 1.016 mm and a width of 25.4 mm was processed in a device according to FIG. 4 mm bending rollers and pressure rollers of the same size.
The continuously and reversibly operating device was operated so that the workpiece was carried out practically over its entire length in one direction and then in the same chemical mass in the other direction, being wound or unwound by the rollers at both ends of the device has been. The supply or take-up rollers were operated in such a way that they produced the tensile forces required in the belt. For this purpose, the relative speeds of each roller can be regulated within a wide range. Weights attached to the ends of the arm 26 created a force or pressure between the pressure rollers and the bending rollers which was the final result determined.
The workpiece consisted of oxygen-free, highly conductive copper in the form of a tube and was machined in the cold or at room temperature. The yield stress of this material is typically around 3515 kg / cm2. In the graphic representation of FIG. 5, the results obtained with the apparatus under changed rolling conditions are shown graphically. The sheet thicknesses in millimeters are entered on the ordinate and the number of passes is entered on the abscissa.
The data from which curve A is composed were found during an operating run in which during repeated bending and straightening of the workpiece around the 25.4 mm roller while passing through the device in both directions under a tensile stress of 2812 kg / cm2 at the thinner end of the belt, no pressure was exerted on the workpiece. A roughening of the surface of the workpiece became increasingly noticeable until cracks developed, which finally led to a separation of the strip at the point which indicates the lower end of curve A.
Shortly before the destruction of the workpiece, the surface condition was such that the product was practically unusable, which illustrates the need for the pressure rollers for this method according to the invention.
The measurement data from which curve B is composed were collected during one operational run of a rolling treatment which differed from the procedure described above only in that a pressure of 35.71 kgfcm was continuously applied from each of the 25.4 cm diameter pressure rollers was exercised. It should be noted that the actual reduction in thickness of the workpiece was not significantly different from the reduction achieved without contact force, but that a good surface quality was achieved on the sheet obtained, although it appeared quite rough in the first stages.
The tape did not break in this test, but a point of reduced effectiveness as indicated by the asymptotic shape of curve B was reached. When the plastic bending deformation had become too small for the practically meaningful continuation of the process, the investigation was terminated at the lower end point of curve B.
The data represented by curve C were found in an operating mode which corresponded to that of curve B, with the difference that the pressing force was 107.13 kg per cm of roller. Curve C indicates that a fairly even reduction of around 17% is achieved with decreasing workpiece thickness per pass.
Curve D represents data obtained in a procedure corresponding to curve C, with the modification that a pressure roller with a diameter of 12.7 mm was used. A significant increase in the effectiveness of the device is to be known, especially when the strip or sheet metal workpiece is relatively thin. As long as the strip or sheet is relatively thick, the small diameter roller seems to have little effect compared to the large diameter rollers, at least when the level of tensile force is comparatively low.
In the range of thicknesses below 0.254 mm, however, the press roll with a small diameter plays an essential role in the faster reduction in the thickness of the workpiece, which is particularly clearly shown in FIG.
In Fig. 6, the sheet thicknesses are plotted on the ordinate in millimeters and the number of passes on the abscissa. The data represented by curve E of FIG. 6 were obtained with a tensile load on the workpiece of 2812 kg / cm = and a pressure of the press roll of 35.71 kg per cm of roll. To measure the data from curve E, one inch diameter press rolls were used, while curve F uses 12.7 mm press rolls.
Thicknesses down to 0.0762 mm were achieved under the conditions of curve C in the processing of tapes, the surface quality of this very thin film or tapes being extremely uniform, as was the case with curves E and curves < I> B, </I> C and <I> D </I> of Fig. 5 was the case where press rolls were also used.
Referring to Figures 7 and 8, cyclic shear stress and resultant deformation is created in a strip or sheet 30 of the elongated and thinned metallic workpiece and results in a product as in accordance with the method described above and the device is obtained. The shear stage shown in these drawings shows a partial view of a machine which can be used to carry out this embodiment of the method according to the invention. Accordingly, it results, for example, that supply and take-up rollers, such as.
B. the rollers 10 and 12 for moving the workpiece 30 through the device in both directions at both ends of the machine can be seen before, so that successive parts of the length of the workpiece such as essential for the extension of the workpiece under relatively low tensile forces can be exposed repeatedly. The workpiece is drawn, sheared in an oscillating manner and pressed relatively lightly, so that the desired reduction results.
The device shown in Figs. 7 and 8 can suitably have two reciprocating push rods or pressure members (not shown) which act in the vertical direction and two groups of vertically aligned laminated metal sheets or plates 31 and 32 move in the vertical direction with the individual plates sliding relative to each other and exerting a cyclic shear on the belt against which they rest. The tape is pulled through the shear device so that a given portion of the tape length is sheared in a transverse direction as it travels across the center of the device.
The vertical displacement of the respective blade arrangements of the shearing device can be limited in any suitable way by stop pieces, so that the shear stress generated is kept below a value of 2-4%.
This is the preferred range, but is not a restriction, because in the individual case the composition of the workpiece, its temperature and its previous history determine the treatment to be advantageously used for the individual case.
In FIG. 9a, a device is shown in a diagrammatic manner, which is used to carry out the method with cyclic or periodic phase changes to induce cyclic or periodic plastic stresses. Using rollers such as B. rollers 10 and 12 in Fig. 1 for transporting the workpiece 38 in this process section, the workpiece is preferably moved repeatedly in one direction and then in the other as in the above-described Ver drive through this process section.
Since this embodiment of the inventive method requires the change in the temperature of the strip in a fairly pronounced and rapid manner, a furnace 40 is provided through which the workpiece can be cooled to its transition temperature and again, as shown in the diagram of FIG. 9b is where the temperature change of the workpiece is related to the location of the respective location of the workpiece in the furnace.
Two groups of opposing pressure rollers 42 and 43 are arranged to guide the work piece in the furnace at the points where the workpiece reaches its phase transition temperatures indicated by points 44 and 45 on the temperature locus of Fig. 9b.
Because of the concentration of stresses at the interfaces between each phase pair and the corresponding plastic deformation, the thickness of the workpiece is reduced by relatively low tensile stresses and press roll pressures, which are kept constant as described above; in the ideal case, this reduction begins at the interfaces, as is shown in the drawing. The temperature control of the successive parts of the workpiece in the furnace is important to achieve and maintain the location of each phase boundary.
The phase boundary surfaces can be compared with standing waves that arise in the parts of the workpiece that lie between the pressure roller group 42 and the group 43 during the longitudinal movement.
In Fig. 10, the embodiment of the inventive method is shown in perspective Dar position, which uses the bending or Schrän ken successive lengths of the workpiece 55 by any suitable method. The bending or twisting shown can act on the workpiece while it is passed through a die or a setting roller of suitable execution, which is equipped with press rollers and between the rollers 10 and 12 operating in the manner described above.
In this way, cyclic torsional stresses are generated in the workpiece at the points of bending and bending back, the press roller pressures acting on the workpiece at these points. Together with the tensile forces that constantly act on the workpiece, these torsional forces and press roller pressures cause the desired product to be lengthened and reduced in thickness.
In Fig. 11, the workpiece 58 is shown, which is also here in a suitable manner between the rollers 10 and 12 in the two directions through a process section located at a point in the processing path where a thermal stress acts to support the tensile stress and thereby causes the elongation and reduction in thickness.
The rollers 59 and 60 engage opposite surfaces of the sheet metal workpiece while it is under tension; Because of an electrical voltage difference between these rollers and the strip, a current flow is caused, so that local heating occurs to a measurable or even very considerable extent at the point of contact of the workpiece. The thermal stresses resulting from this heating cause a local plastic deformation which is cyclical during the continued movement of the belt and leads to an elongation of the metal workpiece which is under relatively slight tension.
The rollers 59 and 60 can act on the workpiece in a similar manner as the pressure rollers 14 and 15, which rollers with the bending 13 in FIGS. 1-4. apply a slight roller pressure. The surface of the workpiece is protected against the tendency to crack and the general deterioration in quality during the deformation operation.
It could be shown that the method described here is suitable for effectively reducing the thickness and increasing the length of a strip, the ratio of the strip thickness to the diameter of the bending rollers initially being 0.40 and with the reduction in thickness to <B > 0.001 falls: Greater or lesser initial ratios, such as 0.02 or 0.08, will generally work satisfactorily, depending on the susceptibility to fracture of the rolled material and the preference of the person controlling the process.
Similarly, the ratio of the pressure roller to the bending roller is not limited to the special sizes used here, but can be changed in such a way as it seems appropriate in terms of the constructive conditions and the effect to He aim the required thickness reduction.
In practice, the original thickness of the band material should not be greater than 76.2 mm, and in the event that the band is made of steel, it should preferably not be greater than 25.4 mm. According to the invention, such strips can be hot rolled to a thickness of approximately 2.54 mm and then brought to the required final thickness by continuing the method by cold rolling.
The present method is applicable to any elongated body that is deformable in the sense, such as strip or sheet steel at room temperature. Accordingly, the method described can be applied to a workpiece made of a material that is not deformable at room temperature, but which can be successfully subjected to the inventive method at a temperature significantly below or significantly above room temperature, which is due to the relative plasticity or the brittleness of the workpiece at room temperature.