CN114514081A - 通过减小末端凝固区域中的横截面来加工在横截面中呈圆形的金属的铸坯的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
描述了一种通过减小末端凝固区域中的横截面来加工在横截面中呈圆形的金属的铸坯(17)的方法，借助至少三个分布在外周的且同时作用在铸坯(17)上的变形工具来减小末端凝固区域中的横截面。为了提供有利的加工条件而建议，所述铸坯(17)通过构成变形工具的多个锻造工具(2、3)利用每个变形行程在纵向区段中被变形，所述纵向区段等于横截面减小之前的坯件直径的至少四分之一，并且所述锻造工具(2、3)在多个变形行程之间围绕铸坯(17)的轴线转动一个角节距。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过减小末端凝固区域中的横截面来加工在横截面中呈圆形的金属的铸坯的方法，借助至少三个分布在外周的且同时作用在铸坯上的变形工具来减小末端凝固区域中的横截面，并且本发明还涉及一种用于执行该方法的设备。
背景技术
在具有圆形的横截面的金属铸坯的末端凝固区域中，芯温度相对于铸坯的表面温度明显更快地降低，这导致不同的热收缩，并且因此导致偏析(Seigerung)和芯多孔性。为了抵消偏析和多孔性现象，在末端凝固区域中实施所谓的轻压下以减小横截面。为此，(DE101 44 234 A1、WO 2018/069854 A1)已知的是，使用至少三个辊子形式的分布在坯件周边的变形工具，借助变形工具对铸坯轻压下，但仅具有适中的效果，因为通过使用辊子来限制横截面减小的深度作用，并且更大的横截面减小会增加开裂的风险。
为了避免在轧制由于铸坯的分割导致钢坯时的进料困难，(DE 10 2011 012 508A1)建议，借助相互成对对置的锻造工具，在稍后的分割的区域中为铸坯设有斜坡，即在铸坯的芯完全凝固之前。由于部分液体材料，可以使锻造力保持较小。此外，可以提高变形区域中的冷却速度。然而，预计不会对芯多孔性产生明显的影响。
为了可以在钢和金属合金的铸坯中避免偏析，(DE 27 33 276 A1)已知的是，在凝固期间塑性地、即通过轧制使被铸造的坯件变形，从而根据凝固收缩而减小坯件的横截面积，由此可以防止凝固的坯件中的熔体向上或向下移位。然而，芯结构保持基本上没有被其接触。
为了改进拼接，(DE 197 00 486 A1)已知的是，使通过铸坯而制造的预制品承受锻造加工。然而，前提条件是凝固的预制品。
为了确保在径向压力机中对于具有圆形的横截面的工件有利的挤压条件，(EP 0239 875 A2)已知的是，将压爪支撑在两个相互可轴向调节的调节体的沿轴向相反倾斜的楔形面上，从而使得在两个调节体的相反的压力加载中，与调节体形成楔形传动装置的压爪径向移位，并且实施变形行程。在调节体随后相互移开时，沿楔形面导引的压爪又被径向拉回到起始位置。由于与挤压行程相比较小的轴向长度，这些径向压力机尤其适用于将软管配件挤压到液压管上。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，设计一种用于通过轻压下加工圆形的铸坯的方法，从而可以尽可能避免芯多孔性，而不会使铸坯面临开裂的风险。
从前述类型的方法出发，所述技术问题按照本发明如此解决，即，所述铸坯通过构成变形工具的多个锻造工具利用每个变形行程在纵向区段中被变形，所述纵向区段等于横截面减小之前的坯件直径的至少四分之一，并且所述锻造工具在多个变形行程之间围绕铸坯的轴线转动一个角节距或一个步进角度(Winkelschritt)。
通过使用锻造工具形式的变形工具，首先提供以下前提条件，即改进铸坯在末端凝固区域中的塑性变形的深度作用，即由锻造工具在铸坯的相应纵向区段上可通过锻造工具的轴向延伸实现的作用。如果变形的纵向区段在每个变形行程中被选择为等于横截面减小之前的坯件直径的四分之一，那么对铸坯的剩余多孔性的改进质量的影响已经是明显的。该影响随着工具介入的轴向延伸而增大，从而坯件的由锻造工具在每个变形行程中被检测的纵向区段优选在坯件直径的0.6倍至坯件直径之间的范围内。
然而，即使在成功时将在坯件凝固时形成的空心空间通过锻造工具的变形行程挤压在一起，但塑性的坯件变形的利用锻造工具的轴向延伸改进的深度作用不足以尤其尽可能防止铸坯的芯多孔性。然而，通过使锻造工具相对于铸坯在变形行程之间围绕坯件轴线转动，这以令人惊讶的方式成功，而不必进行更大的与开裂风险相关的横截面减小。与锻造工具围绕坯件轴线的逐渐的转动相关的效果以如下方式被解释，即具有空心空间的芯区域由于螺旋形的坯件加工而反复受到沿不同方向的剪切和挤压应力，从而导致形成孔的空心空间可以逐渐减小直到消失。
然而，锻造工具在变形行程之间的转动节距或转动步进量不能被选择得太小，因为否则会失去从不同的方向作用在体积单元上的力的影响。各个变形行程之间的对于铸坯分别有利的转动节距可以通过模拟计算或实际尝试比较简单地被确定，并且可以尤其根据铸造速度、锻造工具的数量、横截面减小、变形行程的频率和材料特性来预设。
如果假设，在铸坯的纵向区段中与锻造工具的作用长度相应地，铸坯要在其整个周边上被加工，那么对于在360°的周向区域内的最小加工，在坯件进给期间与锻造工具的作用长度相应地，在各个变形行程之间产生转动节距，转动节距取决于变形行程之间的铸坯进给量和锻造工具的作用长度，因为在铸坯相应于锻造工具的作用长度实施进给之后，必须在属于各个工具的外周区段上实施坯件加工。这意味着，属于各个锻造工具的外周区段必须根据坯件的进给量直到达到总进给量且根据锻造工具的作用长度被划分，以便确定针对在360°上的铸坯加工的预设为下边界的角度。因此，对于转动节距的最小角度，通过锻造工具的作用长度的与锻造工具的数量相应的多倍，产生加工的螺旋形的走向的节距。在变形行程之间的坯件进给为54mm并且锻造工具的作用长度为350mm时，因此在使用三个锻造工具时，两个变形行程之间的最小转动节距角度计算为18°，然而在使用四个锻造工具时计算为14°。
因为锻造工具的深度作用对于抑制芯多孔性很重要的，所以必须注意，在轻压下期间尽可能保持铸坯的横截面形状。因此，铸坯在变形行程期间通过分布在坯件外周上的锻造工具以足够的程度支撑在中心。有利的是，通过这些锻造工具在每个变形行程中在细分到各个锻造工具上的、与锻造工具和铸坯之间的接触面的平均宽度相关的至少20°的周向区域内对所述铸坯进行变形，即锻造工具同时在至少20°上延伸的、分配到锻造工具上的外周区段上作用于铸坯。
为了轻压下，铸坯必须在末端凝固区域中被加工，即有利地在底部尖端的两侧被加工。所述铸坯在纵向区段中通过锻造工具被加工，所述纵向区段从铸坯的具有80％的固相比例的横截面延伸到芯和表面之间的温差为300K的横截面，由此借助锻造工具实现根据本发明的轻压下的前提条件通常得到很好的满足。所述铸坯的横截面在此应通过锻造工具至少减小8％，从而可以对芯多孔性产生明显的影响。
为了实施通过减小末端凝固区域中的横截面来加工在横截面中呈圆形的金属的铸坯的方法，在此提出一种设备，所述设备具有至少三个锻造工具，这些锻造工具相对于锻造轴线旋转对称地布置并且支承在锻压机的支架中并且与用于相对于锻造轴线实现径向的变形行程的驱动器相连。在这种设备中，所述支架围绕锻造轴线可转动地支承在壳体中并且与步进驱动器相连接，用以在多个变形行程之间每次转动一个角节距，由此用于实施所述方法的所有前提条件被满足。借助锻造工具可以实施径向的变形行程，其中，通过在变形行程之间围绕锻造轴线转动容纳锻造工具的支架，能够确保铸坯沿螺旋线的逐渐的轻压下。
所述支架具有两个可相互轴向移动的调节盘，这些调节盘形成用于径向的行程驱动器的楔形传动装置的沿轴向向外倾斜的楔形面，由此在该情况下产生特别简单的设计条件。利用相应的配对面可滑动地支撑在楔形面上的锻造工具因此在调节盘的相反的调节中径向位移。
尽管由于与较低的铸造速度相关的变形行程的常见的频率，在进行锻造期间，锻造工具与铸坯的同步运动不是强制性的，但锻造工具可以在变形行程期间与铸坯一起运动，以便在空行程期间又复位到初始位置中。为此，容纳锻造工具的支架轴向可移动地支承在所述壳体中并且与轴向调节驱动器相连接。所述锻压机的壳体自身能够沿铸坯的导引部位移，由此锻压机可以相对于铸坯的末端凝固区域取向，因此，也可以考虑到由于改变的铸造参数而导致的末端凝固区域的移位。
附图说明
在附图中例如示出本发明的技术方案。在附图中：
图1示出根据本发明的用于加工圆形的、金属的铸坯的锻压机的纵剖面示意图；
图2示出所述设备的根据图1的线II-II剖切所得的更小比例尺的剖面图；并且
图3示出铸坯在坯件长度上直至完全凝固并且在芯和表面区域中的液相和固相的示意性的分布图。
具体实施方式
根据图1和2的锻压机具有壳体1，容纳着成对对置的锻造工具2、3的支架4围绕锻造轴线5可转动地支承在壳体中。该支架4通过两个调节盘6形成，调节盘沿轴向方向可移动地支承在壳体1中，并且可以借助活塞7与复位弹簧8的力相抗地被加载，复位弹簧支撑在两个调节盘6之间。活塞7嵌入在壳体1内形成的环形空间9中，所述环形空间可以被加载以液压介质。
两个调节盘6设有彼此反向倾斜的楔形面10，锻造工具2、3利用相应的配对面可滑动地贴靠在楔形面上，从而在调节盘6与锻造工具之间产生相应的楔形传动装置。锻造工具2、3在楔形面10的边缘区域中设有导引条11，导引条嵌入调节盘6的导引槽12中。如果调节盘6通过活塞7被加载压力，那么它们相互运动，这有效地导致锻造工具2、3相对于调节盘6的楔形面10的滑动，锻造工具2、3实施径向的变形行程。利用活塞7的去负荷，调节盘6通过复位弹簧8运动回到起始位置，其中，沿楔形面10导引的锻造工具2、3实施空行程。
包括两个调节盘6的支架4可以借助步进驱动器13在楔形传动装置的变形行程之间转动一个转动节距。根据所示的实施例，步进驱动器13包括由步进电机14驱动的齿轮15，该齿轮与链齿轮16啮合，所述链齿轮与两个调节盘6中的一个连接。然而，任何其他的转动步进驱动器也是可能的。因此，铸坯17可以通过相互成对对置的锻造工具2、3在铸坯的横截面方面减小，其中，在变形行程之间，支架4转动一个转动节距，以便确保沿螺钉围绕锻造轴线5逐步加工铸坯17。
从图3可以看出的那样，铸坯17在铸造期间被有效冷却，从而在液芯19周围形成固体壳18。铸造区域20之后是冷却区域，在该冷却区域中，冷却液体被喷射到铸坯17上。由此出现铸坯17的从外向内逐渐的凝固，其中，在液相19和固体壳18之间形成混合相21，该混合相在底部(Sumpf)22中流出，混合相的尖部23表现出铸坯17的完全的凝固。底部22的区域中的固相比例因此根据曲线24从0％增加到100％。在图3中示出了0％、20％、80％和100％的固相比例以及坯横截面Q1、Q2、Q3和Q4的相关的位置。
由于铸坯17的外部冷却，铸坯17的表面温度根据图3的曲线25变化。芯温度由曲线26表示。证实的是，在末端凝固区域中，芯温度26相对于表面温度25明显更快地下降。该温度梯度可以有利地用于确定铸坯17的有利于根据本发明的被轻压下的纵向区段。锻造工具2、3的变形行程的深度作用此外取决于表面温度25和芯温度26之间的温差等。通过将该温差27限制到对于深度作用仍然足够有效的最小值、优选300K，因此可以限制纵向区段，在该纵向区段之外，轻压下不再是有意义的。在图3中利用Q5表示温差为27300K的坯横截面。
因为在液芯的情况下，不能通过横截面减小将影响芯多孔性的力施加在芯上，所以只能以相应的固相比例进行对铸坯17的轻压下。在这种情况下，固相的最小比例可以确定为80％。这意味着，根据图3、即在固相比例为80％的坯横截面Q3和铸坯横截面Q5之间产生用于铸坯17的有利的被轻压下的纵向区段28，在铸坯横截面Q5中，表面温度25和芯温度26之间的温差27为300K。
Claims (8)
1.一种通过减小末端凝固区域中的横截面来加工在横截面中呈圆形的金属的铸坯(17)的方法，借助至少三个分布在外周的且同时作用在铸坯(17)上的变形工具来减小末端凝固区域中的横截面，其特征在于，所述铸坯(17)通过构成变形工具的多个锻造工具(2、3)利用每个变形行程在纵向区段中被变形，所述纵向区段等于横截面减小之前的坯件直径的至少四分之一，并且所述锻造工具(2、3)在多个变形行程之间围绕铸坯(17)的轴线转动一个角节距。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过这些锻造工具(2、3)在每个变形行程中在细分到各个锻造工具(2、3)上的、与锻造工具和铸坯(17)之间的接触面的平均宽度相关的至少20°的周向区域内对所述铸坯(17)进行变形。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述铸坯(17)在纵向区段(28)中通过锻造工具(2、3)被加工，所述纵向区段从铸坯(17)的具有80％的固相比例的横截面延伸到芯(26)和表面(25)之间的温差(27)为300K的横截面。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述铸坯(17)的横截面通过锻造工具(2、3)至少减小8％。
5.一种通过减小末端凝固区域中的横截面来加工在横截面中呈圆形的金属的铸坯(17)的设备，借助至少三个锻造工具(2、3)来减小末端凝固区域中的横截面，这些锻造工具相对于锻造轴线(5)旋转对称地布置并且支承在锻压机的支架(4)中并且与用于相对于锻造轴线(5)实现径向的变形行程的驱动器相连，其特征在于，所述支架(4)围绕锻造轴线(5)可转动地支承在壳体(1)中并且与步进驱动器(13)相连接，用以在多个变形行程之间每次转动一个角节距。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述支架(4)具有两个可相互轴向移动的调节盘(6)，这些调节盘形成用于径向的行程驱动器的楔形传动装置的沿轴向向外倾斜的楔形面(10)。
7.所述支架(4)轴向可移动地支承在所述壳体(1)中并且与轴向调节驱动器相连接。
8.根据权利要求5或6所述的设备，其特征在于，所述锻压机的壳体(1)能够沿铸坯(17)的导引部位移。
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