DE102013219310A1

DE102013219310A1 - Verfahren zum Warmschmieden eines nahtlosen Hohlkörpers aus schwer umformbarem Werkstoff, insbesondere aus Stahl

Info

Publication number: DE102013219310A1
Application number: DE201310219310
Authority: DE
Inventors: Rolf Kümmerling; Antonio Sergio Medeiros Fonseca; Thomas Schlothane; Robert Koppensteiner; Rupert Wieser
Original assignee: GFM GmbH; Vallourec Deutschland GmbH
Current assignee: GFM GmbH; Vallourec Deutschland GmbH
Priority date: 2013-09-25
Filing date: 2013-09-25
Publication date: 2015-03-26
Also published as: EP3049200A1; BR112016003146A2; CN105592954B; EP3049200B1; CN105592954A; WO2015044120A1; BR112016003146B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Warmschmieden eines nahtlosen Hohlkörpers aus schwer umformbarem Werkstoff, insbesondere aus Stahl, aufweisend eine Fließgrenze bei Umformtemperatur von mehr als 150 MPa bei 0,3 logarithmischer Dehnung und einer Formänderungsgeschwindigkeit von 10/s mittels Warmschmieden. Um ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines nahtlos warmgefertigten metallischen Hohlkörpers durch Warmschmieden anzugeben, das eine hohe Qualität der Innenoberfläche des Hohlkörpers bei gleichzeitig verbesserter Standzeit des Schmiededorns realisiert, wird vorgeschlagen, dass das Warmschmieden mit einem auf den umzuformenden Querschnitt bezogenen Stichumformgrad im Schmiedeabschnitt mit ln(A0/A1) von kleiner 1,5 und einer verfahrensbezogenen Formänderungsgeschwindigkeit von kleiner 5/s erfolgt, wobei A0 als lokale Querschnittsfläche eines zu schmiedenden Hohlkörpers in m2 und A1 als lokale Querschnittsfläche des fertigen Hohlkörpers in m2 und die Formänderungsgeschwindigkeit als maximale Geschwindigkeit des zu schmiedenden Hohlkörpers in m/s bezogen auf den Außendurchmesser des fertig geschmiedeten Hohlkörpers in m definiert sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Warmschmieden eines nahtlosen Hohlkörpers aus schwer umformbarem Werkstoff, insbesondere aus Stahl, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Insbesondere betrifft die Erfindung ein durch Warmschmieden hergestelltes Rohr aus einem schwer umformbaren Werkstoff.
Nach der Erfindung der Brüder Mannesmann aus einem erwärmten Block ein dickwandiges nahtloses Hohlblockrohr zu erzeugen, hat es verschiedene Vorschläge gegeben, dieses Hohlblockrohr in gleicher Hitze in einer weiteren Warmarbeitsstufe zu strecken. Stichworte dazu sind die allgemein bekannten Kontiwalz-, Stoßbank-, Stopfenwalz- und Pilgerschrittverfahren.
Alle genannten Verfahren haben für verschiedene Abmessungsbereiche und Werkstoffe ihre Vorzüge, wobei es auch Überschneidungen gibt. Für den mittleren Abmessungsbereich von 5“ bis 18“ kommen das Konti- und Stopfenwalzverfahren, für den Abmessungsbereich bis 26“ das Pilgerschrittverfahren zum Einsatz. Bei dickerer Wand im Bereich von > 30 mm sind das Konti- und Stopfenwalzverfahren weniger geeignet, während das Pilgerschrittverfahren zwar keine Probleme mit der Wanddicke hat, aber im Fertigungstakt langsamer ist.
Kennzeichnend für die Herstellung nahtloser Rohre aus einem erwärmten Block durch Warmwalzen sind die drei Schritte Lochen-Strecken-Reduzierwalzen.
Nachteilig bei allen genannten Verfahren sind die mehr oder weniger langen Umrüstzeiten bei Abmessungswechseln und die hohen Fertigungskosten bei kleinen Losgrößen, die häufiges Umrüsten erfordern.
Mit dem in der internationalen Patentanmeldung WO 2006/045301 A1 offenbarten Verfahren wurden diese Nachteile beseitigt, in dem der bislang bekannte zweite und dritte durch Walzen gekennzeichnete Umformschritt (Streckwalzen und Reduzierwalzen) ersetzt wird durch einen Umformschritt in Form eines Radialschmiedeprozesses unter Verwendung eines in den Hohlblock eingeschobenen Innenwerkzeuges und mindestens zwei auf die Mantelfläche des Hohlblockes einwirkender Schmiedebacken einer Schmiedemaschine, wobei der Hohlblock getaktet in der Phase des Leerhubes der Schmiedebacken gedreht und axial verschoben wird. Je nach Art der Steuerung können die Drehung und der axiale Vorschub des Hohlblockes gleichzeitig oder zeitlich versetzt erfolgen.
Mit diesem sehr effizienten und gerade auch für kleine Losgrößen interessanten Verfahren können sehr vorteilhaft Rohre mit einem Umfang von mehr als 500 mm und Längen von mehr als 4000 mm gefertigt werden.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass das Verfahren noch nicht optimal für das Schmieden von schwer umformbaren Werkstoffen ausgelegt ist. Unter schwer umformbaren Werkstoffen werden metallische Werkstoffe, insbesondere Stähle, verstanden, die bei Umformtemperatur, also der Schmiedetemperatur, eine Fließgrenze von mehr als 150 MPa bei 0,3 logarithmischer Dehnung und einer Formänderungsgeschwindigkeit von 10/s aufweisen. Beispielhaft sind dies Stähle mit Chromgehalten von über 5,0 Gew.-%, Duplex-Stähle, Nickelbasis-Legierungen oder Refraktärmetalle.
Übliche Schmiedetemperaturen liegen je nach zu schmiedendem Werkstoff bei mindestens 70% der jeweiligen Schmelztemperatur des Werkstoffs. Beispielhaft liegt für den Werkstoff Inconel 718 die Schmiedetemperatur bei mindestens 850°C.
Während des Schmiedens kann es bei schwer umformbaren Werkstoffen auf Grund der sehr hohen aufzubringenden Umformkräfte schon nach kurzem Einsatz zu abrasivem Verschleiß und zu Anbackungen an dem als Schmiededorn ausgebildeten Innenwerkzeug oder zu Warmverschweißungen des Innenwerkzeugs mit dem Hohlblock kommen. Dies führt entweder zu einem Abbruch des Schmiedevorgangs oder mindestens zu fehlerhaften Rohrinnenoberflächen und einer deutlich verkürzten Lebensdauer des Schmiededorns. Dadurch wird die Wirtschaftlichkeit des Schmiede-Verfahrens bei schwer umformbaren Werkstoffen deutlich eingeschränkt.
Aus der internationalen Patentanmeldung WO 2009/006873 A1 ist ein Schmiededorn aus einem warmfesten Werkstoff zum Warmschmieden von Rohren mit hoher Verschleißfestigkeit und hoher Formstabilität bekannt, bei dem der Dornkörper eine den Wärmeeintrag in den Dornkörper vermindernde Schicht aufweist, die eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die deutlich unter derjenigen des Dorngrundkörpers liegt. Durch den geringeren Wärmeeintrag in den Dorngrundkörper bleibt dieser formstabiler und verschleißfester. Zusätzlich kann der Schmiededorn eine Innenkühlung zur Kühlung während des Schmiedens aufweisen oder der Schmiededorn wird zwischen den Schmiedevorgängen von außen gekühlt. Der Dornkörper ist an einer Haltestange, auch Dornstange genannt, befestigt, mit der der Dornkörper in der Phase des Leerhubes im Hohlblock axial verfahren oder gedreht werden kann.
Mit dem bekannten Schmiedeverfahren und dem bekannten Schmiededorn kann jedoch bei schwer umformbaren Werkstoffen noch keine ausreichend hohe Standzeit des Schmiededorns und gleichbleibend hohe Qualität der Innenoberfläche des Rohres sichergestellt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines nahtlos warmgefertigten metallischen Hohlkörpers durch Warmschmieden anzugeben, das auch beim Schmieden schwer umformbarer Werkstoffe mit einer Fließgrenze bei Umformtemperatur von mehr als 150 MPa bei 0,3 logarithmischer Dehnung und einer Formänderungsgeschwindigkeit von 10/s, eine hohe Qualität der Innenoberfläche des Hohlkörpers bei gleichzeitig verbesserter Standzeit des Schmiededorns realisiert.
Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Nach der Lehre der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Warmschmieden eines nahtlosen Hohlkörpers aus schwer umformbarem Werkstoff, insbesondere aus Stahl, aufweisend eine Fließgrenze bei Umformtemperatur von mehr als 150 MPa bei 0,3 logarithmischer Dehnung und einer Formänderungsgeschwindigkeit von 10/s mittels Warmschmieden, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass das Warmschmieden mit einem auf den umzuformenden Querschnitt bezogenen Stichumformgrad im Schmiedeabschnitt mit ln(A0/A1) von kleiner 1,5 und einer verfahrensbezogenen Formänderungsgeschwindigkeit von kleiner 5/s erfolgt, wobei A0 als lokale Querschnittsfläche eines zu schmiedenden Hohlkörpers in m² und A1 als lokale Querschnittsfläche des fertigen Hohlkörpers in m² und die Formänderungsgeschwindigkeit als maximale Geschwindigkeit des zu schmiedenden Hohlkörpers in m/s bezogen auf den Außendurchmesser des fertig geschmiedeten Hohlkörpers in m definiert sind.
Die Standzeit des Schmiededorn kann vorteilhafter Weise dadurch verbessert werden, dass ein Schmiededorn aus einem Material mit einer Festigkeit von mindestens 700 MPa bei 500°C eingesetzt wird.
Vorteilhafter Weise zeichnet sich das Warmschmieden dadurch aus, dass der auf Schmiedetemperatur befindliche Hohlkörper mit einem darin eingeführten an einer Dornstange befestigten Schmiededorn als Innenwerkzeug, mittels symmetrisch um eine Schmiedeachse angeordneter und im Sinne radialer Arbeitshübe antreibbarer, auf die Mantelfläche des Hohlkörpers und den Schmiededorn einwirkender Schmiedebacken einer Schmiedemaschine zu einem Rohr mit einem Rohrumfang von im Mittel mindestens 500 mm und einer Länge von mindestens 4000 mm geformt wird, wobei der Hohlkörper getaktet in der Phase des Leerhubes der Schmiedebacken gedreht und axial verschoben wird.
Das vorgeschlagene Verfahren hat den Vorteil, dass jetzt auch Hohlkörper aus schwer umformbaren Werkstoffen mit optimaler Innenoberfläche wirtschaftlich herstellbar sind, bei gleichzeitig deutlich erhöhter Standzeit des Schmiededornes.
Dabei hat sich bei Versuchen überraschend herausgestellt, dass der auf den umzuformenden Querschnitt bezogene Stichumformgrad und die verfahrensbezogene Formänderungsgeschwindigkeit beim Schmieden in Kombination mit einem hochwarmfesten Dornwerkstoff die für die Qualität und die Standzeit bestimmenden Größen sind, wobei die angegebenen Grenzwerte für den Stichumformgrad und die Formänderungsgeschwindigkeit einzuhalten sind, um die lokale adiabatische Erwärmung und Scherbandbildung, Materialflussinstabilitäten und lokale Materialüberforderungen, die sich als Risse zeigen, zuverlässig vermeiden zu können.
Der vorgeschlagene Schmiedeprozess ist dann besonders effektiv und qualitativ günstig, wenn abhängig von dem zu schmiedenden Rohrdurchmesser zwei, vier oder mehr Schmiedebacken verwendet werden, die in einer Ebene synchron auf die Mantelfläche des Hohlblockes einwirken.
Der als Innenwerkzeug im Hohlblock eingeführte Schmiededorn kann prinzipiell frei beweglich im Hohlblock angeordnet sein. Zur besseren Verteilung, insbesondere der thermischen Belastung, ist es aber vorteilhaft, den Schmiededorn in den Phasen der Leerhübe zu drehen und/oder in gleicher Richtung bzw. entgegengesetzt zum axialen Vorschub des Hohlblocks zu bewegen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Schmiededorn mittels einer Steuerung oder einer Regelung gedreht und/oder in axialer Richtung verfahren wird, weil es dann möglich wird, die thermische und mechanische Belastung des Schmiededorns gezielt zu vergleichmäßigen. Dabei ist die axiale Dorngeschwindigkeit entweder konstant oder variabel.
Um das Ziel einer möglichst gleichmäßigen Wärmeverteilung im Schmiededorn zu erreichen, sollte die Drehung des Schmiededorns so groß sein, dass beim folgenden Schmiedehub die Belastungen auf einen Bereich des Schmiededorns einwirken, die im vorhergehenden Schmiedehub ohne beziehungsweise nur mit geringer Einwirkung waren. Dabei kann die Drehrichtung des Schmiededorns gleich oder ungleich zur Drehrichtung des Hohlblocks gewählt werden. Eine ungleiche Drehrichtung ist von Vorteil, da dadurch die Relativbewegungen zwischen den Oberflächen von Schmiededorn und Hohlblock größer sind und damit ein Warmverschweißen des Werkstücks mit dem Schmiededorn besser unterbunden werden kann.
Gegebenenfalls kann erfindungsgemäß der Schmiededorn zusätzlich mit einer Beschichtung versehen werden, die aus einer Keramik, beispielsweise aus Wolframkarbid, besteht und mit einer Schichtdicke von mindestens 0,02 mm und maximal 0,2 mm eine Oberflächenhärte von minimal 900 HV0.1 bei Raumtemperatur aufweist. Bekannt ist, dass Dorne zur Wärmeisolation eine Beschichtung aufweisen. Die erfindungsgemäße Beschichtung bezieht sich aber auf eine tribologisch wirkende Schicht, die durch Ihre Dicke im genannten Bereich sowohl die notwendige Abriebfestigkeit erreicht aber auch ein Warmverschweißen des Hohlblocks am Schmiededorn behindert. Die Schicht ist dabei aber noch dünn genug, um ein Abplatzen der Beschichtung wegen der unterschiedlichen Wärmeausdehnung im Vergleich zum Grundmaterial unter der thermisch zyklischen Belastung zu vermeiden.
Gerade bei großen Streckgraden (> 4) und geringer Wanddicke (< 30 mm) kann es bei schwer umformbaren Werkstoffen zur Vermeidung von Warmverschweißungen weiterhin erforderlich sein, dass vor Beginn des Schmiedevorgangs in die Umformzone zwischen Schmiededorn und Hohlblock ein Trenn- und/oder Schmiermittel eingebracht wird.
Hierbei kann das Trenn- und/oder Schmiermittel auf der Innenseite des Hohlblockes vor Beginn des Radialschmiedeprozesses aufgebracht sein und/oder der Schmiededorn wird mindestens im Bereich der darauf einwirkenden Schmiedebacken vor oder während des Schmiedens mit einer Schmierung versehen.
Wird das Trenn- und/oder Schmiermittel auf die Innenseite des Hohlblockes aufgebracht, sollte, um eine ausreichende Wirkung zu erzielen, die auf die Innenoberfläche des Hohlblocks bezogene Trockenmenge nicht weniger als 40 g/m² betragen.
Weiterhin kann es zur Vergleichmäßigung der thermischen Belastung vorteilhaft sein, wenn der Schmiededorn eine abwechselnde Vor- und Rückwärtsdrehung bezogen auf das Werkstück macht. Im speziellen zeigt sich, dass bei einer gleichen Drehrichtung des Schmiededorns und des Hohlblock der Schmiededorn ein doppelt so hoher Drehschritt zwischen den Umformhüben vorteilhaft ist, als bei ungleicher Drehrichtung. Das liegt daran, dass die Kontaktfläche der Schmiedebacke und damit auch die Kontaktfläche am Dorn immer leicht unsymmetrisch zur Längsachse der Schmiedebacke ist und damit der Schmierstoff leichter in die einlaufende Zone gedrückt und vom Dorn abgestreift wird. Damit ist bei gleicher Drehrichtung ein deutlich größerer (etwa doppelt so großer) Drehschritt des Dorns notwendig, um das Trenn- und/oder Schmiermittel in die Umformzone zu bringen.
Aufgrund der angesprochenen Asymmetrie ist ein Positionieren und Steuern des Dorns nicht nur relativ zum Hohlblock, sondern auch relativ zur Schmiedeebene zur Vergleichmäßigung der thermischen Belastung von Bedeutung.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sollte der minimale Drehschritt des Schmiededorns in der Phase des Leerhubes folgender Bedingung genügen: min DSD = 0.32 × DSH, wobei min DSD der minimale Drehschritt in Winkelgrad des Schmiededorns und DSH der Drehschritt in Winkelgrad des Hohlblocks ist. Es hat sich herausgestellt, dass die Breite der Kontaktzone des Schmiededorns deutlich geringer ist, als die der Schmiedebacke. Ein Unterschreiten der obigen Grenze führt nach Untersuchungen zu massiven thermischen Beanspruchungen am Dorn, die üblicherweise zu Steckern und damit zu einem Ausfall des Prozesses führen.
Eine Erhöhung des Dorndrehschritts über das Minimum hinaus reduziert die Überdeckung der Dornkontaktzonen zwischen zwei Umformhüben oder vermeidet komplett eine Überdeckung. Damit vergleichmäßigt sich die thermische Belastung am Umfang und es kann mehr neuer Trenn-/Schmierstoff in die Umformzone zwischen Dorn und Werkstück gelangen.
Bei den Versuchen hat sich außerdem herausgestellt, dass der Schmiededorn im Wesentlichen durch zwei Einflüsse vor dem Kontakt beim Schmieden thermisch belastet wird. Zum einen durch die Strahlungsbelastung durch das warme Werkstück und zum anderen durch die in der Kontaktzone mit dem Schmiededorn eingebrachte Wärmemenge. Diese fließt axial im Schmiededorn auch in jene Bereiche des Dorns, die noch nicht in Kontakt mit dem Hohlblock waren. Gelangen diese Dornbereiche dann in die Umformzone, so sind die Kontakt- und damit Oberflächentemperaturen höher als in den Dornbereichen, die vorher geschmiedet wurden. Die thermischen Belastungen lassen sich durch die Variabilität der Dorngeschwindigkeit derart einstellen, dass eine Vergleichmäßigung der eingebrachten Wärme die maximale Temperatur der Dornoberfläche ausreichend reduziert, um ein plastisches Verformen oder frühzeitigen Verschleiß des Schmiededorns zu verhindern.
Dabei sollte die durchschnittliche Dorngeschwindigkeit den folgenden Bedingungen genügen GDmin ≤ GD ≤ GDmax, wobei GDmin = GE × (HL/DL) und GDmax = GA × (HL/DL) ist, mit DL = Dornlänge in m, HL = Hohlblocklänge in m, GD = mittlere Absolutgeschwindigkeit des Dorns in m/s, GE = Einlaufgeschwindigkeit des Hohlblocks in die Schmiedemaschine in m/s und GA = Auslaufgeschwindigkeit des Hohlblocks in die Schmiedemaschine in m/s.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann der Schmiededorn massiv oder als Hohlkörper ausgeführt sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Schmiededorn während des Schmiedens von innen und/oder zwischen den Schmiedevorgängen von außen gekühlt wird, um die thermische Belastung weiter abzusenken.
Um eine ausreichende mechanische Stabilität beim Schmieden schwer umformbarer Werkstoffe auch bei Hohlkörpern als Schmiededorn zu gewährleisten, sollte die Wanddicke bei einer Innenkühlung mindestens 9% und bei einer Außenkühlung mindestens 15% des Außendurchmessers des Schmiededorns betragen.
Um bei einer Innenkühlung eine ausreichende Kühlung des Schmiededorns sicherzustellen, sollte der Schmiededorn vorteilhaft eine Mindestlänge aufweisen, die abhängig ist vom Außendurchmesser des Hohlblocks und des geschmiedeten Rohres und sich wie folgt errechnet: L min = (ADH – ADF)/TAN(20 × PI/180) mit ADH = Außendurchmesser Hohlblock in m, ADF = Außendurchmesser geschmiedetes Rohr in m und Lmin ist die minimale Arbeitslänge des Dorns in m.
Im Falle einer Außenkühlung des Schmiededorns in Schmiedepausen sollte der Schmiededorn eine Länge aufweisen, die sich wie folgt berechnet: HL = Hohlblocklänge in m, MH = Masse des Hohlblocks in kg und MD = Wärmeaufnehmende Dornmasse in kg.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass zum Schmieden ein Schmiededorn verwendet wird, der eine Konizität von mindestens 1:1000 aufweist, mit dem größeren Durchmesser am dornstangenseitigen Ende des Schmiededorns. Die Einhaltung der angegebenen Konizität ist notwendig, da das geschmiedete Werkstück hinter der Umformzone derart abkühlt, dass ein Aufschrumpfen des geschmiedeten Teils am Dorn das relative Bewegen und Abziehen des Dorns verhindern würde.
Desweiteren erhöht der Einsatz eines leicht konischen Schmiededornes das Spiel zwischen dem geschmiedeten Fertigrohr und dem Innenwerkzeug, so dass der Abzug des Fertigrohres vom Innenwerkzeug erleichtert wird. Die Konizität darf aber nur gering sein, da ansonsten die Wanddicke über die Länge gesehen sich in unzulässiger Weise verändern würde.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht deshalb vor, dass im Hinblick auf die Einhaltung der Toleranzvorgaben für Innen- oder Außendurchmesser und Wanddicken des Hohlkörpers, die durch die Konizität des Schmiededorndurchmessers bedingte geometrische Abweichung des Hohlkörpers während des Schmiedens durch Anpassung des Hubes der Schmiedehämmer ausgeglichen wird.
Um ein problemloses Verfahren des Schmiededorns im Hohlblock zu gewährleisten ist erfindungsgemäß außerdem vorgesehen, dass ein Schmiededorn in den Hohlblock eingeschoben wird, dessen Durchmesser so gewählt wurde, dass sich ein Spiel zwischen Hohlblock und Schmiededorn einstellt, welches der folgenden Bedingung genügt: min SP = 0,0012 × (1 + HL), wobei min SP, dass minimale Spiel im Durchmesser zwischen Schmiededorn und Hohlblock in m und HL die Länge des Hohlblocks in m darstellen.
Der Innendurchmesser sowie die Innenkontur über die Länge des geschmiedeten Hohlkörpers, werden im Wesentlichen durch die Geometrie des Innenwerkzeuges – vorzugsweise in Form eines zylindrischen Dornes – bestimmt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich mit einer entsprechenden Formgebung der Schmiedewerkzeuge und/oder einer speziellen Steuerung der Hübe der Schmiedehämmer und der Axialbewegungen des Schmiededorns neben außen und innen runden Rohren auch achssymmetrische Rohre zum Beispiel als rechteckige oder quadratische Hohlkörper herstellen, wobei auch schon der eingesetzte Hohlblock eine entsprechende Geometrie aufweisen kann, so dass die notwendige Umformarbeit beim Schmieden des Fertigteils auf ein Mindestmaß reduziert werden kann. Desweiteren können sich die Querschnitte sowohl des eingesetzten Hohlblocks als auch des geschmiedeten Hohlkörpers über die Länge ändern.
Beispielhaft ist die Verwendung eines im Durchmesser abgestuften Dornes denkbar, mit dem sich zum Beispiel über die Länge gestufte oder/und konische Zylinder mit verdickten Enden herstellen lassen. Je nach Art der Abstufung wäre auch die Herstellung mehrerer gestufter Zylinder aus einem Hohlblock möglich. Die Vereinzelung der Zylinder würde dann nach dem Schmiedevorgang erfolgen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Hohlblock nicht als beidseitig offener Hohlkörper ausgebildet ist, sondern einseitig einen Boden aufweist. Dies führt im Vergleich zu einem beidseitig offenen Hohlkörper zu einer Ausbringensverbesserung beim Schmieden und ist zusätzlich vorteilhaft, wenn das Fertigteil ebenfalls einen Boden aufweisen soll.
Der fertig geschmiedete Hohlkörper ist nach den üblichen Adjustageschritten, wie Ablängen, visueller Prüfung, Markieren usw. entweder sofort auslieferungsfähig oder wird noch einer Wärmebehandlung und/oder einer zerstörungsfreien Prüfung unterzogen. Die Wärmebehandlung kann ein Normalisieren oder ein Vergüten sein. Je nach Geradheitsanforderung ist ein Richten erforderlich. Ebenso kann bei entsprechenden Lieferanforderungen ein Überschleifen oder ein anderes geeignetes spanabtragendes Bearbeiten der Außenoberfläche notwendig sein, um die durch den Schmiedeprozess verursachten geringen Unebenheiten zu beseitigen.
Anhand schematischer Darstellungen wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.
Es zeigen:
1 das erfindungsgemäße Verfahren in schematischer Darstellung, im Längsschnitt mit einem im Eingriff sich befindenden Hohlblock und
2 ein Schnitt in Richtung A-A in 1.
1 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren in schematischer Darstellung in einem Längsschnitt mit einem im Eingriff sich befindenden zu schmiedenden Hohlblock 1 mit einer Ausgangsquerschnittsfläche A0, der von links in die Schmiedemaschine einläuft und rechts als warmfertiges Rohr 2 mit einer lokalen Querschnittsfläche A1 die Schmiedemaschine verlässt.
Das Schmieden erfolgt mit einem auf den umzuformenden Querschnitt bezogenen Stichumformgrad im Schmiedeabschnitt mit ln(A0/A1) von kleiner 1,5 und einer verfahrensbezogenen Formänderungsgeschwindigkeit von kleiner 5/s, wobei die Formänderungsgeschwindigkeit als maximale Werkzeuggeschwindigkeit in m/s bezogen auf den Außendurchmesser des fertig geschmiedeten Hohlkörpers in m definiert ist.
Im Schmiedebereich wirken auf der Außenseite in diesem Ausführungsbeispiel vier Schmiedebacken 3, 3', 3'', 3''' und auf der Innenseite ein zylindrischer Schmiededorn 4 zusammen. Der Schmiededorn 4 besteht aus einem Material mit einer Festigkeit von mindestens 700 MPa bei 500°C und wird durch eine Haltestange 5 in Position gehalten, kann aber auch alternativ während des Schmiedeprozesses axial vor oder zurück bewegt und/oder gedreht werden. Die Drehrichtung des Schmiededornes kann in Drehrichtung des Hohlblocks oder entgegengesetzt erfolgen.
Nicht dargestellt ist die Einrichtung zur Steuerung bzw. Regelung der Dorn- bzw. Hohlblockbewegung und zur Schmierung des Schmiededornes 4.
Im vorliegenden Beispiel ist der Schmiededorn 4 als massiver Körper mit einer Konizität von mehr als 1:1000 ausgeführt und wird nur von außen gekühlt.
Der Drehpfeil 6 sowie der Axialpfeil 7 sollen verdeutlichen, dass während des Leerhubes der Schmiedebacken 3 bis 3''' der Hohlblock 1 gedreht und axial weiter geschoben wird und der Schmiededorn zusätzlich gedreht und axial bewegt werden kann.
Jede Schmiedebacke 3 bis 3''' weist im Längsschnitt einen überwiegend konisch gestalteten Einlaufabschnitt 8 und einen daran sich anschließenden Glättteil 9 auf. Der Einlaufteil 8 kann auch leicht konvex gekrümmt sein.
Im Querschnitt gesehen (siehe 2) weisen alle Schmiedebacken 3 bis 3''' eine konkave Krümmung auf. Im Regelfall ist die Krümmung ein Kreisbogen, dessen Radius größer ist als der aktuelle Radius des zu schmiedenden Teiles.
Die in den 1 und 2 eingezeichneten Bewegungspfeile 10 sollen den radialen Hub der jeweiligen Schmiedebacke 3 bis 3‘‘‘ verdeutlichen.
Bezugszeichenliste

1: Hohlblock
2: warmfertiges Rohr
3, 3‘, 3‘‘, 3‘‘‘: Schmiedebacke
4: Dorn
5: Haltestange
6: Drehpfeil
7: Axialpfeil
8: Einlaufabschnitt
9: Glättteil
10: Bewegungspfeil
A0: lokale Querschnittsfläche Hohlblock
A1: lokale Querschnittsfläche Fertigrohr

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2006/045301 A1 [0006]
WO 2009/006873 A1 [0011]

Claims

Verfahren zum Warmschmieden eines nahtlosen Hohlkörpers aus schwer umformbarem Werkstoff, insbesondere aus Stahl, aufweisend eine Fließgrenze bei Umformtemperatur von mehr als 150 MPa bei 0,3 logarithmischer Dehnung und einer Formänderungsgeschwindigkeit von 10/s mittels Warmschmieden, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmschmieden mit einem auf den umzuformenden Querschnitt bezogenen Stichumformgrad im Schmiedeabschnitt mit ln(A0/A1) von kleiner 1,5 und einer verfahrensbezogenen Formänderungsgeschwindigkeit von kleiner 5/s erfolgt, wobei A0 als lokale Querschnittsfläche eines zu schmiedenden Hohlkörpers in m² und A1 als lokale Querschnittsfläche des fertigen Hohlkörpers in m² und die Formänderungsgeschwindigkeit als maximale Geschwindigkeit des zu schmiedenden Hohlkörpers in m/s bezogen auf den Außendurchmesser des fertig geschmiedeten Hohlkörpers in m definiert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schmiededorn aus einem Material mit einer Festigkeit von mindestens 700 MPa bei 500°C eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der auf Schmiedetemperatur befindliche Hohlkörper mit einem darin eingeführten an einer Dornstange befestigten Schmiededorn als Innenwerkzeug, mittels symmetrisch um eine Schmiedeachse angeordneter und im Sinne radialer Arbeitshübe antreibbarer, auf die Mantelfläche des Hohlkörpers und den Schmiededorn einwirkender Schmiedebacken einer Schmiedemaschine zu einem Rohr mit einem Rohrumfang von im Mittel mindestens 500 mm und einer Länge von mindestens 4000 mm geformt wird, wobei der Hohlkörper getaktet in der Phase des Leerhubes der Schmiedebacken gedreht und axial verschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmiededorn sich in der Phase des Leerhubes mit dem Hohlblock frei mit bewegt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmiededorn in der Phase des Leerhubes zusätzlich gedreht und/oder axial verfahren wird.
Verfahren nach Anspruche 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmiededorn in gleicher Richtung wie der axiale Vorschub des Hohlblocks während des Schmiedens verfahren wird.
Verfahren nach Anspruche 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmiededorn entgegengesetzt dem axialen Vorschub des Hohlblocks während des Schmiedens verfahren wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrgeschwindigkeit des Schmiededorns in axialer Richtung konstant gehalten oder variabel eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die durchschnittliche axiale Dorngeschwindigkeit den folgenden Bedingungen genügt: GDmin ≤ GD ≤ GDmax, wobei GDmin = GE × (HL/DL) und GDmax = GA × (HL/DL) ist, mit DL = Dornlänge in m, HL = Hohlblocklänge in m, GD = mittlere Absolutgeschwindigkeit des Dorns in m/s, GE = Einlaufgeschwindigkeit des Hohlblocks in Schmiedemaschine in m/s und GA = Auslaufgeschwindigkeit des Hohlblocks in Schmiedemaschine in m/s.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmiededorn während des Leerhubes mittels einer Steuerung oder einer Regelung gedreht und/oder in axialer Richtung verfahren wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmiededorn während des Leerhubes so weit gedreht wird, dass beim folgenden Schmiedehub die Schmiedebacken auf einen Bereich des Schmiededorns einwirken, auf den die Schmiedebacken im vorhergehenden Schmiedehub ohne oder nur mit geringer Einwirkung waren.
Verfahren nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmiededorn gleich oder ungleich zur Drehrichtung des Hohlblocks gedreht wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmiededorn eine abwechselnde Vor- und Rückwärtsdrehung in Relation zum Hohlblock ausführt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehschritt des Schmiededorns (Winkelgrad) in der Phase des Leerhubes folgender Bedingung genügt: min DSD = 0.32 x DSH, wobei min DSD der minimale Drehschritt des Schmiededorns und DSH der Drehschritt des Hohlblocks ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmiededorn während des Schmiedens von innen und/oder zwischen den Schmiedevorgängen von außen gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Innenkühlung der Schmiededorn eine Mindestlänge aufweist, die sich wie folgt errechnet: L min = (ADH – ADF)/TAN(20 × PI/180) mit ADH = Außendurchmesser Hohlblock in m und ADF = Außendurchmesser geschmiedet in m.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmiededorn als Hohlkörper ausgebildet ist, wobei die Wanddicke bei einer Innenkühlung mindestens 9% und bei einer Außenkühlung mindestens 15% des Außendurchmessers des Schmiededorns beträgt.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Außenkühlung, der Schmiededorn eine Mindestlänge aufweist, die sich wie folgt berechnet: HL = Hohlblocklänge in m, MH = Masse des Hohlblocks in kg und MD = Wärmeaufnehmende Dornmasse in kg
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zum Schmieden ein Schmiededorn verwendet wird, der über seine Länge eine Konizität von mindestens 1:1000 aufweist, mit dem größeren Durchmesser am dornstangenseitigen Ende des Schmiededorns.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass im Hinblick auf die Einhaltung der Toleranzvorgaben für Innen- oder Außendurchmesser und Wanddicken des Hohlkörpers, die durch die Konizität des Schmiededorndurchmessers bedingte geometrische Abweichung des Hohlkörpers während des Schmiedens durch Anpassung des Hubes der Schmiedehämmer ausgeglichen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zum Schmieden ein Schmiededorn in den Hohlblock eingeschoben wird, dessen Durchmesser so gewählt ist, dass sich ein Spiel zwischen Hohlblock und Schmiededorn einstellt, welches der folgenden Bedingung genügt: min SP = 0,0012 × (1 + HL), wobei min SP das minimale Spiel im Durchmesser zwischen Schmiededorn und Hohlblock in m und HL die Länge des Hohlblocks in m darstellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass vor Beginn des Schmiedevorgangs in die Umformzone zwischen Schmiededorn und Hohlblock ein Trenn- und/oder Schmiermittel mit einer Trockenmenge von mindestens 40 g/m² bezogen auf die Innenoberfläche des Hohlblocks aufgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Innenseite des Hohlblockes vor Beginn des Radialschmiedeprozesses ein Trenn- und/oder Schmiermittel aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 21 und 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmiededorn mindestens im Bereich der darauf einwirkenden Schmiedebacken vor und/oder während des Schmiedens mit einer Schmierung versehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schmiedeeinsatz auf den Schmiededorn zusätzlich eine den Verschleiß reduzierende Beschichtung aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus einer Keramik besteht.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik Wolframkarbid ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung in einer Dicke von mindestens 0,02 mm und maximal 0,2 mm und mit einer Oberflächenhärte von minimal 900 HV0.1 bei Raumtemperatur auf den Schmiededorn aufgebracht wird.