DE102008053586B4

DE102008053586B4 - Ziehstein zur Querschnittsreduzierung eines Drahtes

Info

Publication number: DE102008053586B4
Application number: DE102008053586.9A
Authority: DE
Inventors: Manel Rodriguez Ripoll; Prof. Dr. Riedel Hermann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2008-10-28
Filing date: 2008-10-28
Publication date: 2014-12-18
Anticipated expiration: 2028-10-29
Also published as: WO2010049061A1; DE102008053586A1

Abstract

Ziehstein zur Querschnittsreduzierung eines Drahtes, der einen Ausgangsquerschnitt Q0 aufweist, den es gilt auf einen Endquerschnitt Q1 zu reduzieren, mit einem den Draht formgebenden Hohlkanal, durch den der Draht ziehbar ist und der wenigstens einen querschnittsverjüngenden Kanalabschnitt aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkanal in Kanallängsrichtung in zumindest vier Kanalabschnitte (a–d) unterteilbar ist, die in Kanallängsrichtung in folgender Abfolge kontinuierlich aneinander grenzen: – ein erster Kanalabschnitt (a), längs dem sich der diesem Kanalabschnitt zuordenbare Kanalquerschnitt kontinuierlich von dem Ausgangsquerschnitt Q0 auf einen Zwischenquerschnitt Qi reduziert, – ein zweiter Kanalabschnitt (b) mit einer Kanallänge L1 und einem konstanten Kanalquerschnitt, der dem Zwischenquerschnitt Qi entspricht, – ein dritter Kanalabschnitt (c), längs dem sich der diesem Kanalabschnitt zuordenbare Kanalquerschnitt kontinuierlich von dem Zwischenquerschnitt Qi auf den Endquerschnitt Q1 reduziert, und – ein vierter Kanalabschnitt (d) mit einer Kanallänge L2, dessen Kanalquerschnitt dem Endquerschnitt Q1 entspricht.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Ziehstein zur Querschnittsreduzierung eines Drahtes, der einen Ausgangsquerschnitt Q₀ aufweist, den es gilt auf einen Endquerschnitt Q₁ zu reduzieren, mit einem den Draht formgebenden Hohlkanal, durch den der Draht ziehbar ist und der wenigstens einen querschnittsverjüngenden Kanalabschnitt aufweist.
Stand der Technik
Zur Herstellung dünner Drähte wird beispielsweise ein mittels Stranggießverfahren oder ein mittels Umformung einer vorgeformten und gesinterten Hartmetalllegierung gewonnener Ausgangsdraht, typischerweise mit einem Drahtdurchmesser von einigen Millimetern, einem Ziehprozess unterzogen, wodurch der Ausgangsdraht gleichzeitig sowohl eine Querschnittsreduzierung als auch eine Längenzunahme erfährt. Das Ziehen erfolgt üblicherweise in mehreren Stufen, wobei der Draht jeweils durch eine sich verjüngende Öffnung verschiedener Ziehsteine, die auch als Matrizen bezeichnet werden, gezogen wird. Typischerweise umfasst eine Drahtzieheinrichtung zudem eine so genannte Abhaspel sowie eine Spule, auf der der gezogene Draht schlussendlich aufgewickelt wird. Häufig werden die Drähte auf den Spulen gelagert sowie auch transportiert.
Das so genannte Durchziehen eines Drahtes durch einen Ziehstein ordnet sich nach DIN 8580 in die Gruppe der so genannten Zugdruckumformverfahren ein. Die zum Umformen benötigte Zugkraft muss auf der Auslaufseite des gezogenen Werkstoffstranges eingeleitet werden. In der Regel werden zum Ziehen von Drähten so genannte Trommelziehmaschinen eingesetzt, bei denen die zum Ziehen notwendige Krafteinleitung über eine Trommel, auch als Antriebsrad bezeichnet, erfolgt und um die der Draht nach dem Ziehstein geschlungen wird. Über die Trommel wird auch die Ziehgeschwindigkeit eingestellt.
Daneben existieren weitere Ziehmaschinentypen, wie beispielsweise Geradeaus-Ziehbänke, bei denen die Krafteinleitung am Anfang des Werkstücks erfolgt, oder Kontinuierliche Ziehmaschinen, bei denen die Krafteinleitung auf der Ausgangsseite des Ziehsteins durch Klemmeinrichtungen erfolgt.
Die Querschnittabnahme eines Drahtes während des Ziehvorganges sowie der diese verursachende Durchmesserabnahme der Ziehsteinöffnung müssen so aufeinander abgestimmt sein, dass die Zugfestigkeit beziehungsweise die Streckgrenze des gezogenes Drahtmaterials durch die Ziehkraft nicht überschritten wird. Zur Erreichung eines gewünschten Enddurchmessers, der typischerweise zwischen 0.005 und 20 mm liegt, erfolgt das Ziehen in mehreren aufeinander folgenden Ziehschritten, bei denen jeweils immer kleinere Ziehsteine eingesetzt werden, solange bis das gewünschte Endmaß erreicht ist.
Die DE 102 11 539 A1 zeigt ein Druckziehwerkzeug von metallischem Umformgut, bei dem eine Dicke d₀ des Umformgutes in einer sich konisch verengenden Umformzone des Druckwerkzeugs auf eine Dicke d₁ reduziert wird.
Die während des Ziehprozesses auf den Draht einwirkende Deformation erfolgt weitgehend plastisch, d. h. die Materialdeformation erfolgt außerhalb des elastischen Bereiches, dem Hooke'schen Bereich, des jeweiligen Drahtmaterials, so dass der Draht nach Durchführen durch einen Ziehstein seine Querschnittsreduzierte Form weitgehend beibehält. Ein erwünschter Enddurchmesser des Drahtes entspricht somit dem geringsten Durchmessers eines Ziehsteins. Jedoch können aufgrund von teilelastischen Effekten geringfügige Querschnittszunahmen nach Durchtritt durch den Ziehstein im Draht auftreten. Derartige teilelastische Effekte können jedoch, sofern sie zu nicht tolerablen Drahtquerschnittsvergrößerungen führen, kompensiert werden, indem ein entsprechend geringer gewählter Ziehsteindurchmesser gewählt wird.
Abhängig vom Drahtmaterial wird der Ziehvorgang im Rahmen einer Kaltumformung oder Warm- bzw. Heissumformung durchgeführt. Die Kaltumformung, die in der Regel bei Zimmertemperatur durchgeführt wird, kommt insbesondere bei weicheren Metallen, wie z. B. Stählen, in Betracht. Wohingegen die Warm- oder Heissumformung bei spröden Werkstoffen oder hochschmelzenden Metallen, wie Wolfram oder Molybdän, eingesetzt wird, wobei hierbei Prozesstemperaturen vorzusehen sind, die etwa bei 45 bis 95% der Rekristallisationstemperatur in Kelvin von den jeweiligen Metallen liegen. Typische Temperatur-Werte während der ersten Ziehschritte sind 1000°C bei Wolfram, 600°C. bei Molybdän etc.
Die Deformation während eines Ziehschrittes erfolgt nicht vollständig homogen, so dass im querschnittsreduzierten Draht Eigenspannungen auftreten, die wiederum in entscheidender Weise die Eigenschaften des Endprodukts beeinflussen, insbesondere die mechanischen Eigenschaften, die Lebensdauer sowie die Neigung des Drahtes zu Brechen. Gezogene Drähte weisen daher ein typisches Eigenspannungsprofil auf, das durch an der Drahtoberfläche auftretenden, jeweils in axialer Richtung orientierte Zugspannungen und in der Drahtmitte durch Druckspannungen charakterisierbar ist. In Umfangsrichtung ist ein ähnliches Profil, jedoch mit geringeren Spannungswerten zu beobachten. In radialer Richtung treten in der Drahtmitte Druckspannungen auf; an der Drahtoberfläche sinken diese auf Null ab.
Während des Ziehprozesses kann es aufgrund verschiedener Mechanismen zu Brüchen längs eines Drahtes kommen. Das am häufigsten zu beobachtende Phänomen ist das Auftreten von longitudinalen Rissen, so genannte Splits, die sich über eine bestimmte Länge des Drahtes erstrecken, wie dies aus P. Schade, „Wire drawing failures and tungsten fracture phenomena”, international Journal of Refractory Metals & Hard Materials, 2006, 24, 332–337, zu entnehmen ist. Splits breiten sich üblicherweise von der Drahtoberfläche in Richtung der Drahtachse aus und können Längen von einigen Metern in axialer Richtung annehmen. Ursachen für die Ausbreitung von Splits sind an der Oberfläche auftretende Zug-Eigenspannungen in Umfangsrichtung. Splits können insbesondere latent im Draht verbleiben und plötzlich während nachfolgender Ziehprozesse oder während des Aufwickelns des gezogenen Drahtes auftreten. Näheres hierzu kann den folgenden Literaturstellen entnommen werden: Mullendore, J. A, „The metallurgy of doped/nonsag tungsten”, Elsevier applied science, London and New York, 1989, chapter V, pp. 61–82; Browning et al., „An analysis of splitting failures during the drawing of tunsten wires”, Engineering Failure Analysis, 1995, 2(2), 105–115; Weygand et al., „Numerical simulation of the drawing process of tungsten wires”, International Journal of Refractory Metals & Hard Materials, 2006, 24, 338–342.
Um die Häufigkeit mit der Splits auftreten zu reduzieren und um die Zuverlässigkeit der hergestellten Drähte zu verbessern, wurden von den Drahtherstellern Methoden entwickelt, um die Eigenspannungen im Draht zu reduzieren. Hierbei werden im Wesentlichen zwei Ansätze verfolgt, die sowohl einzeln als auch in Kombination angewendet werden. Der erste Ansatz zur Reduzierung der Eigenspannungen besteht darin, die den Ziehprozess bestimmenden Parameter zu optimieren. Diese Prozessparameter betreffen das Maß der Querschnittreduzierung pro Ziehschritt, die Anzahl der hintereinander durchzuführenden Einzelziehschritte, die Ziehgeschwindigkeit, mit der der Draht durch den Ziehstein gezogen wird, die Reibung und die Rückhaltekraft, aber auch die geometrischen Eigenschaften des Ziehsteines, wie der Konuswinkel α, der Übergangsradius R zwischen konischen und zylindrischen Ziehsteinbereichen sowie die Länge des zylindrischen Bereichs. Insgesamt lässt sich mit der Optimierung dieser Parameter jedoch nur eine eingeschränkte Reduzierung der Eigenspannungen erreichen, wobei einige Parameteranpassungen sogar zu weiteren unerwünschten Nebeneffekten führen können, wie beispielsweise zu einer Erhöhung der Zugkraft, mit der der Draht durch das Ziehstein gezogen wird.
Ein anderer Ansatz zur Reduktion von Eigenspannungen besteht darin, den Draht im Anschluss an den Ziehprozess einer Nachbehandlung zu unterziehen, die in Form einer mechanischen, thermischen oder thermomechanische Nachbehandlung des Drahtes erfolgt. Bei der mechanischen Behandlung erfährt der Draht eine Belastung in Form einer Zugspannung bis zu einem Wert unterhalb der Streckgrenze. Da an der Drahtoberfläche bereits Zugspannungen vorhanden sind, verformen sich diese dabei plastisch und es kommt zu einer Neuverteilung der Eigenspannungen unter Reduzierung der ursprünglichen Eigenspannungswerte. Bei einer thermischen Nachbehandlung werden die Eigenspannungen durch Erwärmen des Drahtes auf Temperaturen unterhalb der Rekristallisationstemperatur reduziert. Als Beispiel sei hier auf das Kaltziehen von Stahl- und Messingwerkstoffen verwiesen, bei dem zwischen den Schritten ein Weichglühen erforderlich ist. Unter Umständen vermag die thermische Nachbehandlung auch einige Materialeigenschaften des Drahtes; bspw. die Verformbarkeit bzw. Dehnbarkeit des Drahtmaterials, zu verschlechtern. Thermomechanische Nachbehandlungsverfahren kombinieren mechanische und thermische Verfahren, d. h. der Draht wird bei einer bestimmt vorgegebenen Temperatur mit einer Zugspannung unterhalb der Streckgrenze belastet. Dieses Verfahren vermag die Eigenspannungen in gezogenen Drähten markant zu reduzieren, wie dies aus Ruiz-Hervias et al., „Optimization of postdrawing treatment by means of neutron diffraction”, Materials Science and Engineering, 2008, 480, 439–448, zu entnehmen ist.
Der Nachteil derartiger Nachbehandlungsverfahren besteht jedoch darin, dass sie zeitaufwändig sind und die Produktionskosten erhöhen.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Ziehstein und ein Verfahren anzugeben, mit denen in kostengünstiger und zeitsparender Weise die Häufigkeit des Auftretens von Splits beim Ziehen von Drähten reduziert werden kann. Insbesondere soll damit die Qualität von gezogenen Drähten als auch die Effizienz des Ziehprozesses verbessert werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen Ziehstein gemäß dem Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 14. Den lösungsgemäßen Ziehstein sowie das lösungsgemäße Verfahren in vorteilhafter Weise weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung zu entnehmen.
Ein lösungsgemäß ausgebildeter Ziehstein zur Querschnittsreduzierung eines Drahtes, der einen Ausgangsquerschnitt Q₀ aufweist, den es gilt auf einen Endquerschnitt Q₁ zu reduzieren, mit einem den Draht formgebenden Hohlkanal, durch den der Draht ziehbar ist und der wenigstens einen querschnittsverjüngenden Kanalabschnitt aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass der Hohlkanal in Kanallängsrichtung in zumindest vier Kanalabschnitte, a bis d, unterteilbar ist, die in Kanallängsrichtung in folgender Abfolge kontinuierlich, vorzugsweise nahtlos, aneinander grenzen. Der Ziehstein umfasst einen ersten Kanalabschnitt (a), längs dem sich der diesem Kanalabschnitt zuordenbare Kanalquerschnitt kontinuierlich von dem Ausgangsquerschnitt Q₀ auf einen Zwischenquerschnitt Q_i reduziert, einen zweiten Kanalabschnitt (b) mit einer Kanallänge L₁ und einem konstanten Kanalquerschnitt, der dem Zwischenquerschnitt Q_i entspricht, einen dritten Kanalabschnitt (c), längs dem sich der diesem Kanalabschnitt zuordenbare Kanalquerschnitt kontinuierlich von dem Zwischenquerschnitt Q_i auf den Endquerschnitt Q₁ reduziert, und einen vierten Kanalabschnitt (d) mit einer Kanallänge L₂, dessen Kanalquerschnitt dem Endquerschnitt Q₁ entspricht.
Der erste und der zweite Kanalabschnitt bilden eine erste Stufe des Ziehsteins, bei der der Draht eine Querschnittsreduzierung mit nachfolgender radialer Zwangsführung mit konstantem Querschnitt erfährt. Der dritte und der vierte Kanalabschnitt bilden eine zweite Stufe des Ziehsteins, bei der der Draht eine zweite Querschnittsreduzierung, abermals mit nachfolgender radialer Zwangsführung mit konstantem Querschnitt erfährt. Beide Stufen grenzen kontinuierlich, vorzugsweise nahtlos, aneinander.
Ein erfindungsgemäßer Ziehstein besteht also aus den vorstehenden zwei Stufen, wohingegen ein Ziehstein nach dem Stand der Technik lediglich einstufig aufgebaut ist. Durch den besonderen Aufbau des Ziehsteines stehen zur Optimierung der Eigenspannungsverhältnisse weit mehr Parameter zur Verfügung als bei bekannten Zeihsteinen der Fall ist, z. B. das Verhältnis der aufeinanderfolgenden Querschnitts – bzw. Durchmesserreduzierungen bzw. Deformationen, die Länge des zweiten querschnittskonstanten Bereiches, ein zweiter Übergangsradius und ein zweiter Önffnungswinkel. Weitere Einzelheiten hierzu können der weiteren Beschreibung entnommen werden. Zur Optimierung des Endproduktes, d. h. des gedünnten Drahtes in Bezug auf seine Eigenspannungseigenschaften, lassen sich die einzelnen, den Ziehprozess beeinflussenden Parameter rechnergestützt auf Basis von Finite-Elemente-Modellen sowie unter Zugrundelegung von Plastizitätsgesetzen (z. B. Von-Mises-Plastizitätsgesetz) im einzelnen quantifizieren und aufeinander abstimmen.
In einer bevorzugten Ausführungsform für einen lösungsgemäßen Zeihstein gilt es, die Gesamt-Querschnittsreduzierung, die der Draht erfährt, auf eine erste und eine zweite Querschnittsreduzierung aufzuteilen, die in der ersten und in der zweiten Stufe des Ziehsteins erfolgen und die durch die Geometrie der ersten bzw. zweiten Stufe des Ziehsteins vorgegeben sind. Insbesondere soll in dieser bevorzugten Ausführungsform auf die zweite Stufe nur ein Anteil von maximal 20% der Gesamt-Querschnittsreduzierung entfallen, so dass gilt:
Bevorzugt sind dabei Gesamt-Querschnittsreduzierungen von maximal 40%, insbesondere 20%, bezogen auf den Querschnitt des Ausgangsquerschnittes Q₀.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Querschnittsreduzierung in der zweiten Stufe kleiner als 5% bzw. kleiner als 1% ist.
Weiter ist bevorzugt, dass der Hohlkanal rotationssymmetrisch bezüglich seiner Kanallängsachse ausgebildet ist.
Eine bevorzugte Ausbildungsform stellt ein Ziehstein dar, bei dem der Hohlkanal im Bereich des ersten Kanalabschnitts eine konische Verjüngung mit einem Konuswinkel α₁ aufweist, wobei α₁ einen Wert zwischen 3° und 12°, vorzugsweise zwischen 4° und 8°, aufweist. Ebenso bietet es sich an den Hohlkanal im dritten Kanalabschnitts gleichfalls konisch auszubilden, mit einem Konuswinkel α₂, der eine Größe zwischen 3° und 12° aufweist.
Der Hohlkanal des lösungsgemäßen Ziehsteins weist zumindest einen Ausgangsquerschnitt Q₀ auf, dem ein Ausgangsdurchmesser D₀ zuordenbar ist. Dieser Ausgangsquerschnitt befindet sich im Bereich des vorzugsweise konisch ausgebildeten ersten Bereiches a des Hohlkanals, in den der zu dünnende Draht mit seinem Ausgangsquerschnitt Q₀ einfädelbar ist. Der sich an den ersten Bereich a anschließende zweite Bereich b weist einen Zwischenquerschnitt Q_i auf, dem ein Zwischendurchmesser D_i zuordenbar ist. Letztlich ist der Endquerschnitt Q₁ des vierten Hohlkanalabschnittes d, der sich an den sich konisch verjüngenden dritten Abschnitt c anschließt, durch einen Enddurchmesser D₁ charakterisierbar. Die sich mit diesem Ziehstein ergebende Gesamt-Durchmesserreduzierung, die sich auf zwei separate Durchmesserreduzierungen aufteilt, kann durch den folgenden mathematischen Zusammenhang beschrieben werden:
Besonders bevorzugt ist ein Ziehstein, dessen geometrische Verhältnisse so gewählt sind, dass in der zweiten Stufe eine Durchmesserreduzierung von maximal 5%, insbesondere von nur maximal 1% erfolgt. Es gilt demnach:
Ferner ist es vorteilhaft, die axialen längen L₁ und L₂ der jeweils zweiten und vierten Hohlkanalbereiche b und d, die jeweils über einen konstanten Hohlkanaldurchmesser verfügen jeweils mit folgenden Mindestlängen auszubilden, für die gilt:
Besonders bevorzugt ist die Ausbildung eines Ziehsteins, bei dem die Gesamt-Durchmesserreduzierung einen Wert kleiner 30% des Ausgangsdurchmessers aufweist, insbesondere weniger als 20%, so gilt:
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Ziehstein beheizbar. Weiterhin ist bevorzugt, dass sich in Ziehrichtung vor dem ersten und/oder nach dem vierten Kanalabschnitt jeweils ein weiterer Kanalabschnitt anschließt, die einen Zuführungsbereich, der auch als Eingangsschüssel bezeichnet wird, für den zu ziehenden Draht bzw. einen Auslassbereich für den gezogenen Draht bilden.
Besonders bevorzugt ist ein einstückig ausgebildeter Ziehstein.
Ferner zeichnet sich ein läsungsgemäßes Verfahren zur Reduzierung von Zugspannungen an Oberflächen in Umfangsrichtung beim Ziehen bzw. Dünnen von Drähten, bei dem ein Draht mit einem Ausgangsquerschnitt Q₀ durch einen sich verjüngenden Hohlkanal aufweisenden Ziehstein gezogen wird, wobei ein Querschnitt des Drahtes auf einen Endquerschnitt Q₁ reduziert wird, dadurch aus, dass der Draht während des Ziehvorganges folgenden Bearbeitungsschritten unterzogen wird: in einem ersten Schritt erfolgt eine radiale Kompression, in einem zweiten Schritt wird der Draht mit einem konstanten Querschnitt linear zwangsgeführt, in einem dritten Schritt erfolgt eine weitere radiale Kompression und in einem vierten Schritt wird der Draht mit einem konstanten Querschnitt linear zwangsgeführt.
Bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem alle vier Bearbeitungsschritte in unmittelbarer Abfolge durchgeführt werden und der Draht einer kontinuierlichen radialen Zwangsführung unterliegt.
Im ersten Bearbeitungsschritt erfährt der Draht eine erste Querschnittsreduzierung und im dritten Schritt eine zweite Querschnittsreduzierung, wobei die zweite Querschnittreduzierung lediglich bis 30% zur Gesamtquerschnittsreduzierung, die der Draht nach dem vierten Behandlungsschritt erfährt, beiträgt. Der dritte und vierte Behandlungsschritt bewirken jeweils zwar nur geringfügige Querschnittsänderungen, gleichwohl werden Druckspannungen in Umfangsrichtung in den Draht eingeprägt, so dass die im ersten und zweiten Behandlungsschritt entstehenden Zugeigenspannungen in Umfangsrichtung zumindest teilweise kompensiert werden.
Besonders gute Ergebnisse können je nach Drahtmaterial erzielt werden, wenn der Draht während der vier Bearbeitungsschritte erwärmt wird. Hierbei kann der Draht auch einer Warm- bzw. Heissumformung unterzogen werden.
Eine besonders hervorzuhebende Erkenntnis konnte in jenem Fall gewonnen werden, bei dem der der auf den Endquerschnitt gedünnte Draht auf eine Trommel bzw. Ziehscheibe sowie auf eine nachfolgende Rolle aufgewickelt worden ist. Es ist erkannt worden, dass sich eine weitere Reduzierung der Eigenspannungen in Umfangsrichtung durch geeignete Dimensionierung der mit der Aufwicklung verbundenen weiteren Parametern der Ziehmaschine erreichen lässt. Das Biegen des Drahtes jeweils längs des Umfangsrandes der Ziehscheibe sowie der Spule, bewirkt eine Neuverteilung der Eigenspannungen in Umfangsrichtung, die gezielt zur Reduzierung des Split-Risikos ausgenutzt werden kann. Insbesondere hat sich gezeigt, dass. die Erhöhung der Prozesstemperatur gegenüber Raumtemperatur während des Aufwickelns besonderen Einfluss auf die Eigenspannungen in Umfangsrichtung nimmt. Dieser positive Effekt auf die Eigenspannungen in Umfangsrichtung kann weiter verstärkt werden, wenn die Radien der Ziehscheibe sowie der Spule klein gewählt werden. So bewirkt eine Reduktion des Biege- bzw. Kurvenradius insbesondere der Ziehscheibe, die dem Ziehstein in Ziehrichtung unmittelbar nachgeordnet ist, eine stärkere plastische Verformung während des Wickelns, die letztlich zu einer Reduktion der Zugeigenspannungen an der Drahtoberfläche führt. Als besonders günstig hat es sich beim Ziehen von Wolfram-Drähten erwiesen, Prozesstemperaturen von 450°C vorzusehen und eine Ziehscheibe mit einem möglichst kleinen Radius, beispielsweise von ca. 100 mm, zu verwenden. Hierbei können die Zugeigenspannungen in Umfangsrichtung auf vernachlässigbare Werte reduziert werden. Diese erhöhten Temperaturen können im Falle einer Warm- oder Heissumformung bereits dadurch erzielt werden, so fern die Ziehscheibe bzw. die Aufwickelspule genügend nahe am Ziehstein angeordnet ist.
Handelt es sich hingegen um einen Kaltformprozess, so ist dennoch eine Erwärmung des Drahtes zwischen Ziehstein und der Ziehscheibe und/oder der Aufwickelspule empfehlenswert.
Wege zur Ausführung der Erfindung
1: Skizze eines erfindungsgemäßen Ziehsteins,
2: Skizze eines Ziehsteines gemäß dem Stand der Technik,
3: Typischer Verlauf der Eigenspannungen in Umfangsrichtung
4: Skizze einer Ziehmaschine
Wege zur Ausführung der Erfindung, Gewerbliche Anwendbarkeit
Die 1 zeigt die obere Hälfte eines Längsschnittes durch einen rotationssymmetrischen, lösungsgemäß ausgebildeten Ziehstein 2, dessen Rotationsachse mit der Hohlkanallängsachse 6 sowie der Symmetrieachse des Drahtes 1 zusammenfällt. Der Ziehstein 2 verfügt über einen in Abschnitten unterteilbaren Hohlkanal, durch den der Draht 1 zur Formgebung im Wege eines Ziehvorganges hindurchgeführt wird.
Der Ziehstein 1 weist einen Zuführungsbereich 7 mit einem Öffnungsdurchmesser auf, der vorzugsweise größer als der Ausgangsdurchmesser D₀ des zu deformierenden Drahtes 1 ist. Daran schließt sich der so genannte erste Abschnitt (a) an, der durch den Konuswinkel α₁ charakterisiert ist und in dem eine erste Durchmesserreduzierung auf den Zwischendurchmesser D_i erfolgt. Der an den ersten Abschnitt (a) angrenzende Abschnitt (b) zeichnet sich durch einen konstanten Querschnitt Q_i bzw. konstanten Kanaldurchmesser D_i längs einer Kanallänge, der so genannten Auflagerlänge L₁ aus. Der Übergang zwischen dem ersten (a) und zweiten (b) Abschnitt ist nicht scharfkantig ausgebildet, sondern weist vielmehr einen Übergangsradius R₁ auf. An den zweiten Abschnitt (b) schließt sich der querschnittsverjüngende, dritte Abschnitt (c) an, der durch den Konuswinkel α₂ charakterisiert ist, an. An den dritten Abschnitt (c) schließt sich über einen zweiten Übergangsradius R₂ der vierte Abschnitt (d) an, in dem, wie beim zweiten Abschnitt (b), keine Querschnitts- bzw. Durchmesserreduktion erfolgt. Der vierte Abschnitt (d) ist durch die Auflagerlänge L₂ charakterisiert. An den vierten Abschnitt (d) schließt sich ein sich erweiternder Ausgangsbereich 8 an.
Der Ziehprozess erfolgt derart, dass der Draht mit einer definierten Zugkraft, die austrittsseitig des Ziehsteins 2 in den Draht 1 eingeleitet wird, sowie mit einer vorzugsweise konstanten Ziehgeschwindigkeit v durch den Ziehstein gezogen wird.
Eingangsseitig wirkt auf den Draht 1 die so genannte Back-Pull-Force Fb ein, die neben der Geometrie des Ziehsteins 2, der Ziehgeschwindigkeit, der Reibung zwischen Draht 1 und Ziehstein 2 sowie den Materialeigenschaften, wie bspw. Plastizität, des Drahtes 1 die Ziehkraft beeinflusst.
Mit Hilfe einer Finite-Elemente-Methode unter Zugrundelegung des von-Mises-Plastizitätsgesetzes wurden die Eigenspannungen in Drähten ermittelt, die zum einen mit einem erfindungsgemäßen Ziehstein gemäß 1 sowie mit einem herkömmlichen Ziehstein gemäß der Illustration in 2 behandelt worden sind. Bei den Simulationen ist man von einem herkömmlichen Ziehstein 2 ausgegangen, der den Abschnitten a und b des lösungsgemäß ausgebildeten Ziehsteins entsprach mit L_z = L₁ und α = α₁
Eine parametrische Analyse der Simulationsergebnisse hat ergeben, dass, bei gleicher Gesamt-Durchmesserreduktion, bspw. von 25% bezogen auf den Ausgangsdurchmesser des Drahtes, die auftretenden Eigenspannungen in Umfangsrichtung mit Hilfe des lösungsgemäßen Ziehsteins im Vergleich zum herkömmlichen Ziehstein deutlich reduziert werden können. Durch die lösungsgemäße Zweistufigkeit der Querschnittsreduzierung des Drahtes können besonders gute Ergebnisse in Bezug auf eine Reduzierung der sich ausbildenden Eigenspannungen innerhalb des gezogenen Drahtes erzielt werden, wenn die zweite Stufe der Durchmesserreduktion, der durch die Dimensionierung des dritten Abschnitts (c) bestimmt ist, klein im Vergleich zur Durchmesserreduktion im Abschnitt a des lösungsgemäßen Ziehsteins ist. Für eine Aufteilung der Durchmesserreduktion von 95.6% in der ersten Stufe und 4.4% in der zweiten Stufe, sowie mit der Verwendung jeweils eines Konuswinkels von α₁ = 8° und α₂ = 12° ergeben sich Resultate, bei denen ein derart gezogener und gedünnter Draht in Umfangsrichtung nahezu eigenspannungsfrei ist. In 3 sind zur Illustration dieser Simulationsergebnisse Funktionsverläufe von Eigenspannungen in Umfangsrichtung eines Drahtes über den normierten Abstand zur Drahtachse r/r₀ für einen konventionellen Ziehstein (strichlierter Funktionsverlauf) und für einen entsprechenden erfindungsgemäßen Ziehstein (durchgezogener Funktionsverlauf) dargestellt. Man erkennt, dass ein mit einem konventionellen Ziehstein gezogener Draht (strichlierte Linie) in der Drahtmitte (r/r₀ = 0) Druckspannungen, d. h. negative Eigenspannungswerte, und an der Drahtoberfläche, bei r/r₀ = 1, Zugspannungen, d. h. positive Eigenspannungswerte, in Umfangsrichtung aufweist. Die an der Oberfläche auftretenden Zugspannungen in Umfangsrichtung sind für das Auftreten der eingangs erläuterten Splits verantwortlich. Im Vergleich dazu sind die Eigenspannungswerte bei einem Draht, der mit einem lösungsgemäß ausgebildeten Ziehstein hergestellt worden ist, deutlich reduziert, siehe durchgezogenen Funktionsverlauf. So weist ein Draht, der mit einem lösungsgemäßen Ziehstein hergestellt worden ist, bis zu 90% geringere Eigenspannungswerte gegenüber konventionellen Drähten auf.
Aufgrund der lösungsgemäßen Ausbildung der formgebenden Innenkontur des Ziehsteines, die sich durch die erläuterte Doppelstufigkeit auszeichnet, erhöht sich die erforderliche Ziehkraft verglichen zu konventionellen Ziehsteinen lediglich um ca. 3%. Diese Erhöhung der erforderlichen Ziehkraft liegt jedoch in einem unkritischen Bereich, so dass hieraus keinerlei Nachteile in Bezug auf eine mögliche Erhöhung der Bruchgefahr für den Draht entstehen.
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass der vorgeschlagene Ziehstein im Vergleich zu konventionellen Ziehsteinen signifikant verbesserte Ergebnisse in Bezug auf die Herstellung von Drähten mit reduzierten Eigenspannungen liefert, wodurch das Risiko des Auftretens so genannter Splits deutlich reduziert werden kann. Damit lässt sich der mit Nachbehandlungsschritten verbundene Aufwand ebenfalls deutlich reduzieren. Darüber hinaus weisen die erzeugten Drähte eine höhere Qualität auf und können mit weniger Ausschuss hergestellt werden, was wiederum mit Zeit- und Kostenersparnissen verbunden ist.
Eine weitere Reduzierung der Eigenspannungen in Umfangsrichtung eines im Ziehverfahren hergestellten Drahtes lässt sich durch Aufwickeln des gezogenen Drahtes erreichen. Dieser Effekt zeigt sich ebenso bei der Verwendung konventioneller Ziehsteinen zur Herstellung von Drähten. Hierzu sei auf den in 4 gezeigten schematischen Aufbau einer Ziehmaschine verwiesen. Der Draht 1 wird von einer Abhaspel 3 abgespult und durch den lösungsgemäß ausgebildeten Ziehstein 2 gezogen. Die Einleitung der Ziehkraft und die Einstellung der Ziehgeschwindigkeit erfolgt über die Ziehscheibe 5, um die der Draht wenigstens einmalig umschlungen ist. Anschließend wird der querschnittsreduzierte Draht auf eine Spule 4 aufgewickelt.
Untersuchungen beim Ziehen von Wolfram-Drähten haben ergeben, dass besonders reduzierte Eigenspannungszustände bzw. weitgehend Eigenspannungsfreie Drähte hergestellt werden können, wenn der mit einem erfindungsgemäßen sowie auch mit einem konventionellen Ziehstein gezogene Draht bei Temperaturen von etwa 1050°C über eine Ziehspule auf eine Spule mit einem Spulenradius von etwa 100 mm aufgewickelt wird. So legen die Untersuchungen die Auffassung nahe, dass durch den Aufwickelvorgang unmittelbar nach dem Ziehprozess bedingte plastische Verformungen innerhalb des Drahtes, die an der Drahtoberfläche vorhandenen Zugspannungen zu reduzieren bzw. zu kompensieren vermögen.
In Fällen, in denen der Ziehvorgang bei Zimmertemperaturen erfolgt, bietet es sich für den Aufwickelvorgang an extra Heizvorrichtungen vorzusehen, um den positiven Einfluss des Aufwickelvorgangs auf die Eigenspannungsreduzierung nutzen zu können.

Claims

Ziehstein zur Querschnittsreduzierung eines Drahtes, der einen Ausgangsquerschnitt Q₀ aufweist, den es gilt auf einen Endquerschnitt Q₁ zu reduzieren, mit einem den Draht formgebenden Hohlkanal, durch den der Draht ziehbar ist und der wenigstens einen querschnittsverjüngenden Kanalabschnitt aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkanal in Kanallängsrichtung in zumindest vier Kanalabschnitte (a–d) unterteilbar ist, die in Kanallängsrichtung in folgender Abfolge kontinuierlich aneinander grenzen: – ein erster Kanalabschnitt (a), längs dem sich der diesem Kanalabschnitt zuordenbare Kanalquerschnitt kontinuierlich von dem Ausgangsquerschnitt Q₀ auf einen Zwischenquerschnitt Q_i reduziert, – ein zweiter Kanalabschnitt (b) mit einer Kanallänge L₁ und einem konstanten Kanalquerschnitt, der dem Zwischenquerschnitt Q_i entspricht, – ein dritter Kanalabschnitt (c), längs dem sich der diesem Kanalabschnitt zuordenbare Kanalquerschnitt kontinuierlich von dem Zwischenquerschnitt Q_i auf den Endquerschnitt Q₁ reduziert, und – ein vierter Kanalabschnitt (d) mit einer Kanallänge L₂, dessen Kanalquerschnitt dem Endquerschnitt Q₁ entspricht.
Ziehstein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für Q₀, Q_i und Q₀ gilt:
Ziehstein nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für Q₀, Q_i und Q₀ gilt:
Ziehstein nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkanal rotationssymmetrisch bezüglich einer Kanallängsachse ist.
Ziehstein nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des ersten Kanalabschnitts der Hohlkanal konisch ausgebildet ist und einen Konuswinkel α₁ mit der Kanallängsachse einschließt, der eine Größe zwischen 3° und 12°, vorzugsweise zwischen 4° und 8°, aufweist.
Ziehstein nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des dritten Kanalabschnitts der Hohlkanal konisch ausgebildet ist und einen Konuswinkel α₂ mit der Kanallängsachse einschließt, der eine Grüße zwischen 3° und 12°, vorzugsweise zwischen 8° und 12°, aufweist.
Ziehstein nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, der Ausgangsquerschnitt Q₀ durch einen Ausgangsdurchmesser D₀, der Zwischenquerschnitt Q_i durch einen Zwischendurchmesser D_i und der Endquerschnitt Q₁ durch einen Enddurchmesser D₁ charakterisiert sind und dass gilt:
Ziehstein nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für D₀, D_i und D₀ gilt:
Ziehstein nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Längen L₁ und L₂ jeweils eine Mindestlänge aufweisen, wobei gilt:
Ziehstein nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass gilt:
Ziehstein nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ziehstein beheizbar ist.
Ziehstein nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass an den ersten und/oder den vierten Kanalabschnitt jeweils erweiterte Kanalabschnitte anschließen.
Ziehstein nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Ziehstein einstückig ausgebildet ist.
Verfahren zur Reduzierung von Zugspannungen an Oberflächen in Umfangsrichtung beim Ziehen/Dünnen von Drähten, bei dem ein Draht mit einem Ausgangsquerschnitt Q₀ durch einen sich verjüngenden Hohlkanal aufweisenden Ziehstein gezogen wird, wobei ein Querschnitt des Drahtes auf einen Endquerschnitt Q₁ reduziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht während eines Ziehvorganges folgenden Bearbeitungsschritten unterzogen wird: in einem ersten Schritt erfolgt eine radiale Kompression mit einer ersten Querschnittsreduzierung des Drahtes, in einem zweiten Schritt wird der Draht mit einem konstanten Querschnitt linear zwangsgeführt, in einem dritten Schritt erfolgt eine weitere radiale Kompression mit einer zweiten Querschnittsreduzierung des Drahtes und in einem vierten Schritt wird der Draht mit einem konstanten Querschnitt linear zwangsgeführt.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass alle vier Bearbeitungsschritte in unmittelbarer Abfolge durchgeführt werden und der Draht einer kontinuierlichen radialen Zwangsführung unterliegt.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Querschnittreduzierung bis 30 Prozent zur Gesamtquerschnittsreduzierung, die der Draht nach dem vierten Behandlungsschritt erfährt, beiträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht während der vier Bearbeitungsschritte erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der auf den Endquerschnitt gedünnte Draht auf eine Rolle oder Spule aufgewickelt wird.