Verfahren und Vorrichtung für die Feinbearbeitung der Oberfläche von metallischen Werkstücken Die Erfindung betrifft ein- Verfahren und eine Vor richtung zur Durchführung .des Verfahrens für die Fein bearbeitung der Oberfläche von metallischen Werkstük- ken in der Form von Stangen und Stäben mit einem über die ganze Länge gleichbleibenden Querschnitt.
In der Fachsprache ist ein Verfahren zur Bearbei tung von Metalloberflächen .als Kalte Feinbearbeitung bekannt. Dieses ist insbesondere auf die Behandlung von Stangen und Stäben mit gleichmässigem Querschnitt anwendbar, um Verringerungen auf gewünschte Abmes sungen auszuführen. Dabei wird eine verbesserte Ober flächengüte und ausserdem eine Vereinigung von er wünschten physikalischen und mechanischen Eigen schaften in .den metallischen Stangen, insbesondere in Stahlstangen erzielt.
Bei der Durchführung der kalten Feinbearbeitung ist es wünschenswert, die Oberflächen .der metallischen Stangen und Stäbe vorzubehandeln, um Oberflächen- fehler zu beseitigen. Dieses wurde bisher oft durch das gebräuchliche Beizen ausgeführt. Aber das Abtragen von Oberflächenfehler verlangt das Abtragen von ober flächlichem Metall bis mindestens zur Tiefe der Ober flächenfehler oder Metalleinschlüssen. Das wurde bisher durch einen maschinellen Arbeitsgang erreicht, zum Beispiel Drehen oder Fräsen, mit ,den üblichen Dreh- oder Fräsmaschinen.
Aber diese Arbeitsgänge wurden als zu langsam und zu teuer befunden, so dass es wün schenswert war, nach schnelleren und wirksameren Ver fahren und Vorrichtungen für das Abtragen von Ober- flächenmetall an metallischen Stangen und: Stäben von konstantem Querschnitt zu suchen.
Es sind schon Verfahren für das wirkungsvolle und rasche Abtragen von oberflächlichem Metall von metal lischen Stangen und Stäben bekannt, bei denen das Metall von konstantem Querschnitt kontinuierlich .durch ein Schneid- oder Schälwerkzeug vorgeschoben wird, welches vorzugsweise am gesamten Umfang der Stange oder des Stabes angreift, um Metall von der äusseren Oberfläche, oder um Oberflächenmetall von der inneren Oberfläche einer Röhre oder einem ähnlichen Teil ab zutragen.
Es sind .auch Vorrichtungen beschrieben, -in welchen das kontinuierlich schneidende Werkzeug für das Abtra gen des oberflächlichen Metalles in Verbindung mit einer Reduziermatrize benutzt wird, wie beispielsweise eine Ziehmatrize oder eine Pressmatrize, welche unmit telbar nach dem Schneidewerkzeug angeordnet ist;
wobei die Führungsmatrize und die Reduziermatrize die metallischen Stangen oder Stäbe .durch das Schnittwerk zeug führen und ausserdem einen den Querschnitt ver ringernden Arbeitsgang im Anschluss an das Abtragen von oberflächlichem Metall ausführen. Wenn :nach der beschriebenen Methode das Abheben der Oberfläche bei hoher Schnittgeschwindigkeit ausgeführt wird., wur den oft unstabile Schneidebedingungen beobachtet, wie diejenige, die nachfolgend mit Wendelsäule (Barber- poling) bezeichnet wird.
Der Ausdruck wurde- auf diese Art von Instabilitäten angewendet wegen des Aussehens der bearbeiteten Oberfläche der Stangen und Stäbe- beim Verlassen der Schnittwerkzeuge.
Für die Bedingungen, .die zur der Wendelsäule beim- oberflächlichen Abheben von Metallen nach der, beschriebenen Art führen, sind viele theoretische Be trachtungen zur Diskussion gestellt worden: Ein- solcher Vorschlag beschreibt die Wendelsäule als das Ergeb nis eines .sinusoldalen Schneidvorganges, des Werkzeu ges im Verhältnis zum Werkstück.
Man nimmt an, .dass sich die Stange. oder der Stab radial zum- Schnittwerk= zeug bewegt, während ,sie oder- er durch das Schnitt werkzeug tritt, und gleichzeitig eine axiale Bewegung vorwärts und rückwärts bezüglich des Schneidwerkzeu- ges- ausführt.
Die Kombination von solchen Bewegungen zwischen den Stangen oder Stäben und ,dem Schneid- werkzeug: erzeugen einen spiralförmigen- Schnitt, wie er öfters in der Oberfläche von Stangen oder Stäben gefun den wird, die im folgenden einfach. als Werkstück- he= zeichnet werden sollen.
Es gibt eine Anzahl von- Kräften und Bedingungen, die zur Wendelsäule führen können, einige von ihnen dürften immer nach nicht bekannt und untersucht wor den sein. Indessen soll hier kein Versuch gemacht wer den, die Gründe für die Wendelsäule oder andere In- stabilitäten aufzuzeigen, sondern die folgende- Beschrei bung wird sich auf ein Verfahren und.
eine Vorrichtung für die Verringerung und vorzugsweise Beseitigung derselben beschränken.
Instabilitäten, welche zur Bildung von Wendelsäu len führen, sind wegen ihrer Unkontrollierbarkeit un erwünscht, weil durch sie zu grosse Mengen von Metall von der einen Seite der Stange oder des Stabes abgeho ben werden, während wenig oder überhaupt kein Metall von der gegenüberliegenden Seite abgehoben wird, wobei Oberflächenfehler oder unerwünschte Metall schichten die Möglichkeit haben, auf dem Werkstück zu verbleiben, während dieses zur Ziehmatrize oder zu einem anderen Feinbearbeitungswerkzeug weiterbewegt wird.
Die Wendelsäule -Instabilität erzeugte früher unerwünschte Umrisse des Werkstückes oder sonstige unerwünschte Folgen auf der Oberfläche des Metalles und zwar sowohl vor .als auch nach der anschliessenden Feinbearbeitung. Darum ist es ausserordentlich wichtig, beim Abspanen von Metallen solche Instabilitäten aus- zuschliessen, ohne auf die vielen Vorteile zu verzichten, die durch das kontiuierliche Abspanen von Oberflä chenmetall erreicht werden.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist da durch gekennzeichnet, .dass, um Wendelsäulen zu ver meiden und .die Stabilität des Schneidevorganges zu er reichen, der Werkstückquerschnitt in der feinbearbei tenden Ziehmatrize um mehr als 4 % bis zum Ver schwindenbringen der beim spanabhebenden Werkzeug gebildeten Wendelsäule und in der Führungsziehmatrize um mehr als den grössten im Rohwerkstück vorhande nen Oberflächenunebenheiten entspricht, vermindert wird.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Führungsmatrize, ein spanabhebendes Werkzeug und eine feinbearbei tende Ziehmatrize in axialer Ausrichtung hintereinan der angeordnet sind, und dass bei Anordnung der Füh rungsmatrize um mehr als 2,5 cm vor dem spanabhe benden Werkzeug die feinbearbeitende Ziehmatrize sol che Abmessungen hat, dass sie den Querschnitt des Werkstückes um mehr als 4 % verringert.
Die Erfindung soll nun mit Hilfe der Figuren der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläu tert werden.
Fig. 1 ist eine schematische Ansicht der Anordnung der Teile, die für das neue Verfahren benutzt werden. Fig. 2 ist ein schematischer Querschnitt des Types Wendelsäule , wie er in der gegenwärtigen Praxis für das Abtragen von Metall beim Benutzen eines Schnitt- werkzeuges, das in Arbeitsrichtung gesehen hinter einer Ziehmatrize für die Verkleinerung des Querschnittes dient, beobachtet werden kann.
Fig. 3 ist ein schematischer Querschnitt ähnlich dem von Fig. 2, welcher die bessere Konzentrizität zeigt, die durch die Verwendung des neuen Verfahrens beim Ab heben von Metall und den Arbeitsgängen zur Verringe rung des Querschnittes erreicht werden kann.
Fig. 4 ist eine Kurve, die Daten angibt, welche die Entstehung der Wendelsäule zu dem Betrag der Quer- schmttsverringerung in der hinteren Ziehmatrize und ,dem Abstand- zwischen .dem Schneidwerkzeug und der den Querschnitt veringernden Matrize, die vor dem Schneidwerkzeug angeordnet ist, in Beziehung setzt. Auf der Ordinate ist der Abstand zwischen Führungsmatrize und Schneidwerkzeug (Masseinheit 2,54 cm), und auf der Abszisse .die Abmessung des Schneidwerkzeuges (Masseinheit 2,54 cmê) und zugleich die Querschnitts verringerung in Prozenten :angegeben. Die Wendel säule entsteht immer bei Arbeitsbedingungen, die links der gemessenen Kurve liegen, während sie rechts davon nicht beobachtet werden konnte.
Anhand von Fig. 1 soll die Ausführungsform des Verfahrens kurz erklärt werden. Zwischen den beiden Ziehmatrizen steht .das Schneidwerkzeug 10.- Die Zieh matrize, welche unmittelbar auf das Schneidwerkzeug folgt, wird im folgenden auch als Feinbearbeitungsma trize 12 bezeichnet. Die direkt vor dem Schneidwerk zeug stehende Matrize 14 wird im folgenden auch als die an der Spitze stehende oder Führungsmatrize bezeichnet werden.
Im Betrieb wird der Rundstahl 16 kontinuierlich vorwärts bewegt, zuerst durch die Führungsmatrize 14, dann durch das spanabhebende Werkzeug 10, und schliesslich durch die Feinbearbeitungsmatrize 12. Die Führungsmatrize 14 und die Feinbearbeitungsmatrize 12 sind vorzugsweise beides Ziehmatrizen konventioneller Konstruktion. Sie können aber auch verschiedenartig sein. Die eine oder die andere, oder auch beide Matrizen 12 und 14 können von einem .anderen Typ von quer- schnittverringenden Matrizen sein, z.
B. Ausstossmatri- zen oder Laufwalzen, zwischen denen der Stahl vorwärts bewegt wird, um seinen Querschnitt zu verkleinern.
Nach der Entdeckung der Wendelsäule und nach dem Studium ihrer verschiedenen möglichen Gründe und Ursachen wurden viele Entwicklungen in verschie denen Richtungen vorangetrieben, mit der Absicht, ent weder den Betrag der Abwanderung zwischen dem Schnittwerkzeug und dem Werkstück zu verringern oder vorzugsweise den Wendelsäulen -Effekt ganz zu ver meiden. Diese Entwicklungsarbeiten schlossen ein: 1. Bestimmung des Einflusses der Lineargeschwin digkeit des Metalles bezüglich des Schnittwerkzeuges durch Verändern der Lineargeschwindigkeit des Werk stückes, das durch das Werkzeug vorwärts bewegt wurde.
z. Bestimmung des Einflusses des Schmiermittel druckes zu der Zeit, wenn das Werkstück durch das Schneidwerkzeug vorwärts bewegt wird, durch Verän dern des Druckes des Schmiermittels auf das Werkstück.
3. Auswirkung von Veränderungen der Durchfluss- menge des Schmiermittels zum Kontaktpunkt zwischen dem Schneidwerkzeug und dem Werkstück auf die Sta bilität der Schneidoperation.
4. Bestimmung der Beziehung zwischen der Quer schnittsabnahme, die in der Führungsmatrize vorgenom men wurde, und dem Betrag der Wendelsäule , welche während des Durchlaufens des Werkstückes durch das nachfolgende Schneidwerkzeug gebildet wurde.
5. Die Beziehung zwischen dem Betrag der Quer schnittsverkleinerung die in der Feinbearbeitungsma- trize vorgenommen wurde, die dem Schnittwerkzeug folgt, und der Instabilität der Schneidoperation während der Vorwärtsbewegung des Werkstückes durch das Schneidwerkzeug.
6. Die Beziehung zwischen dem Abstand zwischen der Führungsmatrize und dem Schneidwerkzeug und dem Betrag der Wendelsäule .
7. Der Einfluss von Instabilitäten während der Schnedoperation durch Änderung der Konturen des Schneidwerkzeuges, eingeschlossen sein Spanwinkel, sein Freiwinkel und sein Raumabstand.
B. Der Einfluss der Änderung der Geometrie der Feinbearbeitungsmatrize, die dem Schneidwerkzeug folgt, auf die Instabilität der Schneidoperation.
Die ausgedehnten Entwicklungen, die aus den vielen Abwandlungen von jeder der genannten Bedingungen hergeleitet wurden, haben ergeben, dass die lineare Ge schwindigkeit des Werkstückes im Verhältnis zum Werkzeug und die Menge des Schmiermittels nur einen geringen wenn überhaupt einen Einfluss auf die Stabili tät des Schneidvorganges haben, und dass deren spezielle Anwendungsbedingungen in einem weiten Bereich verändert werden können, ohne sichtbare Folgen auf die Stabilität der Schneidoperation zu haben.
Die Arbeitsbedingungen, die offensichtlich den stärksten Einfluss auf das Entstehen der Wendelsäule und anderen Instabilitäten :ausüben, sind der Betrag der Querschnittsverringerung, welcher in der Ziehmatrize erfolgt, die direkt dem Schneidwerkzeug nachgestellt ist. Es wurde gefunden, wenn der Betrag dieser Quer- schnittsveringerung etwa 4 % oder grösser ist, die Wendelsäule oder sonstige Instabilitäten in der Schnittoperation praktisch vollkommen ausgeschlossen werden, unabhängig von den vielen anderen Variablen, die weiter oben .diskutiert wurden.
Es wurde weiter gefunden, dass die beschriebenen Instabilitäten im wesentlichen auch bei Querschnittsver ringerungen von weniger als 4 % in der Feinbearbei tungsmatrize eliminiert werden konnten, wenn der Betrag dieser Querschnittsverringerung zu dem Abstand zwi schen der Führungsmatrize und dem Schneidwerkzeug in Beziehung gesetzt wird, wobei dann eines von dem anderen abhängt, um Wendelsäulen zu vermeiden. Insbesondere wurde gefunden, wenn der Abstand zwi schen Führungsmatrize und Schneidwerkzeug 3,81 mm oder weniger und bis hinauf bis zu 25,4 mm ist, mit Querschnittsverringerungen von 4 bis etwa 1,5 % Stabi lität in der Schneidoperation erreicht werden kann.
Bei Querschnittsverringerungen von weniger als 1,5 % in der Feinbearbeitungsmatrize wird weiterhin die Wen delsäule beobachtet, unabhängig von Veränderungen all der Veränderlichen die weiter oben beschrieben wur den.
Das Vorstehende ist in Fig. 4 dargestellt. Die darin aufgetragenen Daten wurden mit Rundmaterial aus MXB-1113 Stahl erhalten. Das heissgewalzte Rundma terial hatte einen ursprünglichen Durchmesser von etwa 16,7 mm, und wurde in einer Anordnung bestehend aus Ziehmatrize-Schneidwerkzeug-Ziehmatrize der in. Fig. 1 gezeigten Art, auf einen Durchmesser von etwa 15,1 mm reduziert. Ein Schmiermittel wurde unter einem Druck von etwa 63 Atmosphären angewendet, die Vorschub- Geschwindigkeit des Rundmateriales betrug 58 m/Min. Das verwendete Schneidwerkzeug hatte einen Spanwin kel von 13'.
Der Abstand zwischen Führungsmatrize und Schneidwerkzeug wurde bis zu 55,88 mm hinauf, und der Betrag der Querschnittsverringerung in der Feinbearbeitungsmatrize zwischen 1,3 % und 6,5 % verändert.
Aus :den Daten kann ersehen werden, dass die Wendelsäule unter allen Bedingungen beobachtet werden kann, wenn die Querschnittsverringerung, die in der Feinbearbeitungsmatrize vorgenommen wird, weni ger als etwa 1,5 % beträgt. Zwischen 1,5 % bis 2 % und etwa 4 % Querschnittsverringerung war die Wendel Säule nur dann wesentlich verringert oder praktisch beseitigt, wenn der Abstand zwischen Führungsmatrize und Schneidwerkzeug weniger war, als etwa 38,1 bis 40,64 mm.
Wenn der Betrag :der Querschnittsverringe rung, die in der Feinbearbeitungsmatize vorgenommen wurde, grösser als 4 % war, .dann wurde die Schnittope ration ohne Wendelsäule ausgeführt, unabhängig von dem Abstand zwischen der Führungsmatrize und dem Schneidwerkzeug, und unabhängig vom Schnittwinkel des Schneidwerkzeuges, und insbesondere unabhängig von vielen der anderen, weiter oben aufgeführten Veränderlichen.
Das folgende betrifft nicht so sehr die Stabilität wäh rend der Schneidoperation, wenn der Stahl durch das Schnittwerkzeug vorwärts bewegt wird, aber es wurde gefunden, dass der Betrag der Querschnittverringerung, der in der Führungsmatrize 14 vorgenommen wird, auch auf die erfolgreiche Anwendung der Schneidtechnik ein wirkt und .auf die optimalen physikalischen und mecha nischen Eigenschaften .des Stahles, der hergestellt wird.
Bis heute wurde die erste Ziehmatrize hauptsächlich als ein Führungsglied angewendet um den Stahl mit dem Schneidwerkzeug so auszurichten, dass der Stahl zen triert zu diesem Schneidwerkzeug vorwärts bewegt wer den konnte. Für diesen Zweck war es als genügend er achtet worden, auf den Stahl während des Durchlaufes durch die Führungsmatrize einen Druck auszuüben, der in einer möglichen Querschnittsverringerung von etwa 1 % resultierte.
Es wurde nun gefunden, dass die Anwendung der Führungsmatrize als eine querschnittsverringernde Matrize, die vor dem Schnittwerkzeug wirksam ist; -den Schneidvorgang und den metallurgischen Prozess wesentlich verbessert. In Übereinstimmung mit der frü heren Auffassung von dieser Erfindung ist es wün schenswert, die Führungsmatrize zu benutzen, um eine Querschnittsverringerung vorzunehmen, und zwar um einen solchen Betrag, dass der Stahl, der :
die Führungs matrize verlässt, einen Abstand vom Mittelpunkt zur Oberfläche oder einen Radius hat, der nicht grösser ist, als der kleinste, vorkommende Abstand vom Mittel- Punkt zur Oberfläche oder Radius des Stahles, der in die Führungsmatrize eingeführt wird.
Auf .diese Weise wird jede unrunde Stelle, jeder Knickpunkt oder andere Ab weichungen in der Oberflächenkontur des eingeführten Stahles im wesentlichen durch die Führungsmatrize be seitigt werden, womit dafür gesorgt wird, :dass der Stahl, der dem Schneidwerkzeug zugeführt wird, einen gleich- mässigen und konstanten Querschnitt hat.
Bei runden Stangen oder Stäben kann der Betrag der Querschnitts- vcrringerung, der in der Führungsmatrize vorgenommen wird, als die Differenz zwischen dem maximalen und minimalen Radius des MetaRes oder der Betrag der Un- rundheit des Stahles ,definiert werden.
Oft übersteigen die genannten Abweichungen den Betrag von 1 0/0 oder weniger Querschnittsverringerung, die früher von der Führungsmatrize vorgenommen wurden, wobei dann der Stahl, der dem Schnittwerkzeug zugeführt wird, Teile mit verschiedenem Querschnitt aufwies. Das wirkte sich dahingehend aus, ,dass die Dicke der Späne, die von dem Schnittwerkzeug abgehoben wurden, veränderlich war, wodurch Instabilitäten in der Schneidoperation hervor gerufen wurden.
Das konnte auch dazu führen, dass dem Schneidwerkzeug Stahl zugeführt wurde, bei dem der Betrag von unterschiedlichem Durchmesser .die Schnitt- tiefe überschritt, wodurch Teile der Stahloberfläche von dem Schnittwerkzeug nicht erfasst wurden und Imper fektionen in der Stahloberfläche zurück blieben, die eigentlich von -dem Schneidwerkzeug abgehoben werden sollten, bevor der Stahl an die Feinbearbeitungsmatrize weitergeleitet wurde.
Bei der Ausführung des Verfah rens nach dieser Erfindung ist der Betrag der Quer- schnittsverringerung gross genug, um. solche uner wünschte Eigenschaften auszuschliessen und es wird eine grössere Stabilität in .der Schneidoperation erreicht. Der vom Schneidstahl .abgehobene Span wird vorwie gend und auf dem ganzen Umfang gleichmässig sein und das Abtragen von Oberflächenmaterial von ,der gesam ten Werkstückoberfläche sicherstellen.
Der Stahl der der Feinbearbeitungsmatrize zugeführt wird, wird sich gleichmässig als frischgeschnittener Stahl präsentieren, frei von Verunreinigungen und Imperfektionen, die alle bei der Schneidoperation beseitigt wurden, wodurch ein Produkt gesichert wird, das gleichmässigere und verbes serte physikalische und mechanische Eigenschaften aufweist.
Es versteht sich, dass der Betrag der Querschnitts- verkleinerung, der in der Führungsmatrize vorgenom men wird, von den maximalen Abweichungen des: Um risses des Stahlmateriales abhängt. Für .die Praxis ist es wünschenswert, eine- Querschnittsverringerung vorzu nehmen; die 3 % überschreitet und vorzugsweise 5 % ausmacht. Es ist unerwünscht in der Führungsmatrize eine Querschnittreduktion vorzunehmen- die 15 - 20 % überschreitet.
Aus dem vorgehenden ist ersichtlich, dass der Arbeitsgang des Abtragens von Oberflächenmaterial und die Querschnittsverringerung eindeutig verbessert werden können, wenn gewisse kritische Bedingungen bezüglich des Betrages .der Querschnittsverringerung die in der Führungsmatrize und der Feinbearbeitungsma trize vorgenommen werden und in einigen Fällen das.
Abstandsverhältnis das zwischen der Führungsmatrize und dem spanabhebenden Werkzeug besteht, eingehal ten werden, wodurch grössere Stabilität während des Schneidvorganges erreicht und ein verbessertes Produkt gesichert wird.
Während sich die Beschreibung vorwiegend: mit der Behandlung von stählernen Stäben und Stangen befasst, versteht es sich, dass das beschriebene Verfahren auch auf die Bearbeitung von Stäben und Stangen aus aride- ren. Metallen, besonders wenn ähnliche Kräfteverhält nisse bestehen angewendet werden kann.