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Die Erfindung betrifft eine Anlage zum isothermen Schmieden von endkonturnahen metallenen Halbzeugen unter Vakuum und/oder Schutzgasatmosphäre mit wenigstens einer Schmiedepresse, die wenigstens einen sich in eine Vakuumschmiedekammer erstreckenden Pressenstößel, wenigstens ein Oberwerkzeug und wenigstens ein Unterwerkzeug umfasst.
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Verfahren und Anlagen zum isothermen Schmieden von endkonturnahen metallenen Halbzeugen unter Vakuum sind im Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Bei diesen Verfahren, die auch als HIF Verfahren (Hot Isothermal Forging) bekannt sind, werden beispielsweise Titan- oder Molybdän-Werkstoffe oder sogenannte Superlegierungen bei hohen Temperaturen mit geringen Deformationsraten unter superplastischen Bedingungen in Form geschmiedet. Auf diese Art und Weise werden beispielsweise Turbinenschaufeln hergestellt. Ein solches Herstellungsverfahren ist beispielsweise aus der
US 5,933,951 A bekannt.
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Das HIF Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass sowohl die Schmiedewerkzeuge als auch die Werkstücke vor Durchführung des Schmiedevorgangs unter Vakuum auf die Temperatur aufgeheizt wurden, die eine superplastische Deformation des Werkstücks erlaubt. Dabei ist es bekannt, die umzuformenden Halbzeuge vor dem Schmiedevorgang in einem Manipulator-Tunnel vorzuheizen und eine beheizte Vakuumschmiedekammer mit dem vorgeheizten Werkstück zu beschicken.
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Bekannte Anlagen zum isothermen Schmieden sind komplex, da ein sicheres Erreichen des für den Schmiedevorgang erforderlichen Vakuumdrucks von weniger als 0,05 mbar sowie das Einhalten von niedrigen Leckageraten aufwendig ist. Aufgrund des Umstandes, dass eine lange Vorheizzeit der Werkstücke und eine lange Aufheizzeit der Werkzeuge benötigt wird, sind die Zykluszeiten für die Herstellung der einzelnen Teile sowie die Umrüstzeiten für die Anlagen bei einem etwa erforderlichen Werkzeugwechsel groß.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anlage der eingangs genannten Art bereitzustellen, die sich durch geringe Leckageverluste auszeichnet. Der Erfindung liegt weiterhin insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine Anlage der eingangs genannten Art bereitzustellen, die bei der Durchführung des Verfahrens des isothermen Schmiedens geringe Zyklus- und Umrüstzeiten ermöglicht.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Anlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Nach einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine Anlage zum isothermen Schmieden von endkonturnahen metallenen Halbzeugen unter Vakuum und/oder Schutzgasatmosphäre mit wenigstens einer Schmiedepresse bereitgestellt, die wenigstens einen sich in eine Vakuumschmiedekammer erstreckenden Pressenstößel, mindestens ein Oberwerkzeug und wenigstens ein Unterwerkzeug umfasst, mit wenigstens einer Werkstückwechselkammer, die gasdicht an die Vakuumschmiedekammer angeschlossen ist und mit einer Vielzahl von Schleusenkammern zur Bereitstellung und/oder Aufheizung und/oder Abkühlung von Werkstücken, die gasdicht an die Werkstückwechselkammer angeschlossen sind, wobei wenigstens die Vakuumschmiedekammer wenigstens eine runde Querschnittskontur aufweist.
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Bevorzugt sind die Vakuumschmiedekammer und wenigstens die Werkstückwechselkammer evakuierbar ausgebildet und jeweils an eine Unterdruckquelle angeschlossen.
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Unter gasdicht im Sinne der vorliegenden Erfindung ist insbesondere eine Dichtigkeit zu verstehen, die eine Evakuierbarkeit ermöglicht.
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Eine runde Querschnittskontur ist bei einer Beaufschlagung mit Unterdruck besonders günstig im Hinblick auf die mechanische Belastbarkeit der Struktur. Darüber hinaus sind daraus resultierende runde Übergänge und Anschlüsse sowie Durchführungen einfacher und mit geringeren Leckageverlusten abzudichten.
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Bei der Anlage gemäß der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Vakuumschmiedekammer eine kreisrunde Querschnittskontur und runde Durchführungen sowie runde Öffnungen aufweist.
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Bei der bevorzugten Variante der Anlage gemäß der Erfindung ist die Vakuumschmiedekammer als im wesentlichen zylindrische Kammer mit runden Durchführungen und Anschlüssen ausgebildet, wobei vorzugsweise die Übergänge zu den oberen und unteren Stirnseiten ebenfalls abgerundet sind. Auch etwa vorgesehene Wartungsöffnungen in der Vakuumschmiedekammer sind vorzugsweise als kreisrunde oder ovale Öffnungen mit entsprechenden Verschlüssen vorgesehen.
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Bei einer besonders vorteilhaften Variante der Anlage gemäß der Erfindung weisen die Werkstückwechselkammer und die Schleusenkammern ebenfalls runde Querschnitte auf.
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Die Vakuumschmiedekammer, die Werkstückwechselkammer und die Schleusenkammern können über runde Verbindungselemente und/oder Durchführungen gasdicht miteinander verbunden sein. Auf diese Art und Weise lässt sich ein röhrenförmiges modulares System bereitstellen. Weiterhin lassen sich parallel mehrere Werkstücke bereitstellen, aufheizen und der Vakuumschmiedekammer zuführen.
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Vorzugsweise ist wenigstens eine Werkzeugwechselkammer vorgesehen, die ebenfalls als röhrenförmiges Bauelement mit einem kreisrunden Querschnitt ausgebildet ist. Eine Werkzeugwechselkammer, die beispielsweise diametral gegenüberliegend der Werkstückwechselkammer an die Vakuumschmiedekammer angeschlossen ist, besitzt den Vorzug, dass in der Werkzeugwechselkammer Werkzeuge zur Umrüstung der Schmiedepresse auf andere Bauteile vorgeheizt vorgehalten werden können. Die Aufheizzeit für ein Werkzeug kann beispielsweise bis zu 24 Stunden betragen, sodass die Ausführung der Anlage mit einer Werkzeugwechselkammer den Vorzug hat, dass mit geringem Zeitverlust eine Umrüstung auf andere Werkzeuge durchgeführt werden kann. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Werkzeugwechselkammer ebenfalls eine Vielzahl von Schleusenkammern zur Einschleusung verschiedener Oberwerkzeuge und verschiedener Unterwerkzeuge unter Vakuum aufweist. Die Schleusenkammern der Werkzeugwechselkammer sind zweckmäßigerweise ebenfalls mittels entsprechend ausgebildeter Vakuumschieber gasdicht relativ zu der Werkzeugwechselkammer absperrbar ausgebildet.
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Die Schleusenkammern der Werkstückwechselkammer und/oder der Werkzeugwechselkammer können beispielsweise mit kreisrunden Luken bezüglich der Atmosphäre verschlossen sein.
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Die Vakuumschieber sind zweckmäßigerweise mit runden Schieberplatten versehen.
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Bei einer besonders vorteilhaften Variante der Anlage gemäß der Erfindung ist eine Vielzahl von Vakuumpumpen vorgesehen, die unterhalb eines Hüttenflures, vorzugsweise in einem Anlagenkeller angeordnet sind. Eine solche Anordnung ermöglicht es, die Vakuumpumpen jeweils unmittelbar unterhalb der einzelnen Kammern der Anlage anzuordnen, sodass die Anzahl der benötigten Vakuumleitungen, die Länge der Vakuumleitungen und die Anzahl der benötigten Vakuumverteilungen minimiert werden kann, was ebenfalls zur Reduzierung von Leckageverlusten beiträgt. Bei einer Anordnung der Vakuumpumpen oberhalb des Hüttenflures wäre es erforderlich, größere Leitungswege vorzusehen, da die Leitungen um die Anlage herum verlegt werden müssten und die einzelnen Kammern nicht auf direktem Wege anschließbar wären.
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Wenigstens eine Vakuumpumpe kann jeweils unmittelbar unter der Vakuumschmiedekammer und unterhalb der Werkstückwechselkammer sowie vorzugsweise auch unter der Werkzeugwechselkammer angeordnet sein.
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Vorzugsweise sind die Werkstückwechselkammer, die Schleusenkammern und vorzugsweise auch die Werkzeugwechselkammer als röhrenförmige Bauelemente in Modulbauweise zusammengefügt, sodass die Anlage um eine benötigte Anzahl von Schleusenkammern erweiterbar ist. Mehrere röhrenförmige Bauelemente lassen sich beispielsweise zu einer tunnelförmigen Werkstückwechselkammer zusammenfügen. Ebenso lassen sich mehrere röhrenförmige Bauelemente zu einer tunnelförmigen Werkzeugwechselkammer zusammenfügen. An die Werkzeugwechselkammer und/oder an die Werkstückwechselkammer können jeweils beiderseits röhrenförmig ausgebildete Schleusenkammern angeschlossen sein.
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Wenigstens in der Werkstückwechselkammer ist mindestens ein horizontal verfahrbarer Manipulator zur Handhabung der Werkstücke angeordnet. Ebenso kann in der Werkzeugwechselkammer ein verfahrbarer Manipulator zur Handhabung der Werkzeuge vorgesehen sein.
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Die Durchführung des Pressenstößels in die Vakuumschmiedekammer umfasst zweckmäßigerweise eine Wasserkühlung.
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Bei einer bevorzugten und vorteilhaften Ausgestaltung der Anlage gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die Druckstufe der Vakuumschmiedekammer im Bereich der Durchführung des Pressenstößels wenigstens zwei Dichtungsflansche umfasst, die innen umlaufend mit einem Dichtungssystem des Pressenstößels zusammenwirken. Die Flansche sind vorzugsweise über wenigstens einen Faltenbalg aus Edelstahl, vorzugsweise über zwei solcher Faltenbälge, miteinander verbunden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine Teil-Schnittansicht durch eine Anlage gemäß der Erfindung,
- 2 eine Draufsicht auf die Anlage gemäß der Erfindung,
- 3 eine schematische perspektivische Ansicht der Anlage gemäß der Erfindung,
- 4 eine schematische Schnittansicht, die den Pressenstößel sowie das Oberwerkzeug und das Unterwerkzeug der Schmiedepresse zeigt,
- 5 eine perspektivische Teil-Schnittansicht der Vakuumschmiedekammer und der daran angeschlossenen Werkzeugwechselkammer,
- 6 eine schematische Darstellung einer als Aufheizkammer ausgebildeten Schleusenkammer und
- 7 eine perspektivische Darstellung eines Vakuumschiebers.
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Die in 1 dargestellte Anlage zum isothermen Schmieden von metallenen Halbzeugen umfasst eine Schmiedepresse 1 mit vier Säulen 2 und einem sich in eine Vakuumschmiedekammer 3 erstreckenden Pressenstößel 4 mit einem Oberwerkzeug 5 (siehe 4), welches mit einem in der Vakuumschmiedekammer 3 angeordneten Unterwerkzeug 6 zur Umformung eines erwärmten Halbzeugs 7 zusammenwirkt. Der Pressenstößel 4 ist bei der Anlage gemäß der Erfindung hydraulisch vertikal bzw. axial verlagerbar, wobei dieser in einer Durchführung 8 der Vakuumschmiedekammer 3 abgedichtet ist. Die Erfindung ist so zu verstehen, dass der Pressenstößel auch mechanisch verlagerbar sein kann.
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Die Vakuumschmiedekammer 3 ist einerseits mit einer Werkstückwechselkammer 9 und andererseits mit einer Werkzeugwechselkammer 10 verbunden. An die Werkstückwechselkammer 9 sind erste Schleusenkammern 11 angeschlossen, wohingegen an die Werkzeugwechselkammer zweite Schleusenkammern 12 angeschlossen sind. Die Vakuumschmiedekammer 3, die Werkstückwechselkammer 9 und die Werkzeugwechselkammer 10 sowie die ersten und zweiten Schleusenkammern 11, 12 sind jeweils evakuierbar und gasdicht miteinander verbunden bzw. aneinander anschließbar. Hierzu sind alle Kammern 3, 9, 10, 11, 12 an Vakuumpumpen 13 angeschlossen, die unterhalb eines Hüttenflures 14 unter der Anlage in einem Anlagenkeller 15 angeordnet sind.
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Über die ersten Schleusenkammern 11 lassen sich Halbzeuge 7 in die Werkstückwechselkammer 9 einbringen sowie fertig geschmiedete Erzeugnisse aus der Werkstückwechselkammer 9 ausschleusen. Dies wird mittels eines innerhalb der Werkstückwechselkammer 9 linear und im Wesentlichen horizontal verfahrbaren Manipulators 16 bewerkstelligt. Die Werkstückwechselkammer 9 ist als röhrenförmiger Tunnel zur Handhabung der Halbzeuge 7 und der fertigen Erzeugnisse ausgebildet, der einen runden, kreisförmigen Querschnitt aufweist, mit dem dieser an eine entsprechend ausgebildete Öffnung der Vakuumschmiedekammer 3 angeschlossen ist. Die ersten Schleusenkammern 11 sind ebenfalls als röhrenförmige Bauelemente ausgebildet, die einen runden, kreisförmigen Querschnitt aufweisen, mit dem diese an entsprechend ausgebildete Öffnungen der Werkstückwechselkammer 9 seitlich an letztere angeschlossen sind.
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Die ersten Schleusenkammern 11 sind mit entsprechend gestalteten runden Luken 18 gasdicht nach außen gegen die Atmosphäre und über Vakuumschieber 23 bezüglich der Werkstückwechselkammer 9 verschließbar. Wenigstens einige der ersten Schleusenkammern 11 sind mit Heizeinrichtungen 19 zum Vorheizen der Halbzeuge 7 versehen.
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Eine als Aufheizkammer ausgebildete erste Schleusenkammer 11 ist in 6 dargestellt. Diese umfasst die mit 19 bezeichnete Heizeinrichtung sowie eine hydraulisch absenkbare Haube 20, die während des Aufheizvorgangs das Halbzeug 7 umschließt, um den Aufheizvorgang zu beschleunigen. Die Heizeinrichtung 19 ist als Heizplatte mit wenigstens einem Widerstandsheizelement ausgebildet.
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Die zweiten Schleusenkammern 12 sind entsprechend der ersten Schleusenkammern 11 ausgebildet und jeweils seitlich an die Werkzeugwechselkammer 10 angeschlossen. Die Werkzeugwechselkammer 10 ist ebenfalls als röhrenförmiges Bauteil mit einem kreisrunden Querschnitt an eine entsprechend ausgebildete Öffnung der Vakuumschmiedekammer 3 angeschlossen. Die Vakuumschmiedekammer 3 ist sowohl bezüglich der Werkstückwechselkammer 9 als auch bezüglich der Werkzeugwechselkammer 10 mittels jeweils eines Vakuumschiebers 23 absperrbar. Durch die zweiten Schleusenkammern 12 lassen sich Werkzeuge, Oberwerkzeuge 5 einerseits und Unterwerkzeuge 6 andererseits, in die Werkzeugwechselkammer 10 einbringen und ausschleusen. Hierzu ist vorzugsweise in der Werkzeugwechselkammer 10 ein horizontal verfahrbarer Hubwagen 17 vorgesehen. Mit dem Hubwagen 17 werden die Werkzeuge in die Vakuumschmiedekammer 3 verfahren, wo diese durch eine entsprechende Hubbewegung des Pressenstößels 4 an diesen angekoppelt werden.
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Die Vakuumschmiedekammer 3 hat, wie dies insbesondere aus der Darstellung in 5 zu entnehmen ist, einen kreisrunden Querschnitt und ist als etwa zylindrisches Gehäuse ausgebildet. Die Übergänge der zylindrischen Wandung der Vakuumschmiedekammer 3 in die obere und untere Stirnfläche können abgerundet sein. Insoweit ist die Darstellung gemäß 5 vereinfacht und dieses Detail ist aus 5 nicht ersichtlich. Aus Gründen der Vereinfachung sind Teile der vorderen Säulen 2 der Schmiedepresse 1 in 5 ebenfalls nicht dargestellt.
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Wie aus der Darstellung gemäß 5 ersichtlich ist, umfassen die Vakuumschieber 23 kreisrunde Schieberplatten 24, die in der 5 geschlossen dargestellt sind. Über die zweiten Schleusenkammern 12, die ebenfalls mit Luken 18 verschließbar sind, lassen sich auf je einer Seite der Werkzeugwechselkammer 10 ein Oberwerkzeug 5 und ein Unterwerkzeug 6 in die Werkzeugwechselkammer 10 einbringen bzw. aus dieser herausnehmen. Bei der in 5 gezeigten Variante der Anlage sind jeweils zwei zweite Schleusenkammern 12 an die Werkzeugwechselkammer 10 angeschlossen. Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, die Werkzeugwechselkammer 10 durch entsprechend ausgebildete röhrenförmige Bauelemente zu erweitern, an die dann weitere zweite Schleusenkammern 12 angeschlossen sind, sodass eine Vielzahl von Werkzeugen in einer Bereitschaftsstellung vorgeheizt werden können. Ein entsprechend modularer Aufbau ist für die Werkstückwechselkammer 9 und die daran angeschlossenen ersten Schleusenkammern 11 vorgesehen.
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Wie dies der Darstellung in 3 zu entnehmen ist, sind die Werkstückwechselkammer 9 und die Werkzeugwechselkammer 10 jeweils mit stirnseitigen Öffnungen versehen, die ebenfalls mit Luken 18 verschließbar sind. Darüber hinaus ist die Vakuumschmiedekammer 3 mit einer Wartungsöffnung 21 versehen, die mit einer Wartungstür 22 verschlossen ist. Die Wartungsöffnung 21 und die Wartungstür 22 sind ebenfalls rund ausgebildet, da sich diese Konturen einfacher und mit weniger Kraft abdichten lassen.
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Bei dem Schmiedeverfahren ist vorgesehen, dass die Halbzeuge 7 zunächst mittels eines Manipulators, Hubwagens oder dergleichen in eine oder mehrere der ersten Schleusenkammern 11 eingebracht werden. Wenn die betreffende Schleusenkammer 11 geöffnet wird, ist diese mittels Vakuumschieber 23 bezüglich der Werkstückwechselkammer 9 gasdicht abgeschlossen. Die erste Schleusenkammer 11 wird anschließend verschlossen und nach entsprechender Evakuierung und Vorheizen des Halbzeugs 7 mittels einer Heizeinrichtung 19 durch Betätigung des Vakuumschiebers 23 mit der Werkstückwechselkammer 9 verbunden. Sodann wird das aufgeheizte Halbzeug 7 von dem Manipulator 16 übernommen und, wie dies in 4 dargestellt ist, in das Unterwerkzeug 6 der Schmiedepresse 1 eingelegt. Zwecks Formen des Schmiedeteils werden das Oberwerkzeug 5 und das Unterwerkzeug 6 durch Betätigen des Pressenstößels 4 geschlossen. Nach Fertigstellung des Schmiedeteils wird dieses wiederum mit dem Manipulator 16 entnommen und in eine erste Schleusenkammer 11 zwecks Abkühlung und späterer Entnahme bereitgestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schmiedepresse
- 2
- Säulen
- 3
- Vakuumschmiedekammer
- 4
- Pressenstößel
- 5
- Oberwerkzeug
- 6
- Unterwerkzeug
- 7
- Halbzeug
- 8
- Durchführung
- 9
- Werkstückwechselkammer
- 10
- Werkzeugwechselkammer
- 11
- erste Schleusenkammern
- 12
- zweite Schleusenkammern
- 13
- Vakuumpumpen
- 14
- Hüttenflur
- 15
- Anlagenkeller
- 16
- Manipulator
- 17
- Hubwagen
- 18
- Luken
- 19
- Heizeinrichtung
- 20
- Haube
- 21
- Wartungsöffnung
- 22
- Wartungstür
- 23
- Vakuumschieber
- 24
- Schieberplatte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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