Daher
liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Werkzeug
und ein Verfahren zum Thixoschmieden von Schmie- deteilen aus Stahl anzugeben,
mit denen auch komplexe Schmiedeteilgeometrien prozesssicher hergestellt
werden können.
Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 in Bezug auf das
zu schaffende Werkzeug und des Anspruchs 5 in Bezug auf das zu schaffende
Verfahren gelöst.
Die
erfindungsgemäße Lösung ist
gegeben durch ein Werkzeug zum Thixoschmieden von Schmiedeteilen
aus Stahl, enthaltend Gesenke mit Gesenkgrundkörper und formgebenden Werkzeugteilen,
wobei die formgebenden Werkzeugteile aus Keramik ausgebildet sind
und einen Oberstempel, einen Unterstempel sowie einen Einsatz eines
oberen Armierungsverbandes und/oder einen Einsatz eines unteren
Armierungsverbandes umfassen.
Bei
dieser keramikgerechten Konstruktion werden die Zugspannungen in
den Keramikbauteilen möglichst
gering gehalten, da Keramiken nur bedingt plastisch verformbar sind
und erhöhte
Porositäten aufweisen,
die sich versagenskritisch darstellen können. Deshalb müssen auftretende
Zugspannungen begrenzt und falls möglich konstruktiv in Druckspannungen
umgewandelt werden. Dabei ist vorzugsweise der Oberstempel des erfindungsgemäßen Werkzeugs
mit dem oberen Armierungsverband, bevorzugt bestehend aus einem
keramischen Einsatz und mindestens einem oder mehreren Isolierungs- und/oder
Armierungsringen, derart ausgebildet, dass sie fest aneinander montiert
sind. Der Oberstempel aus Keramik ist in dem keramischen Einsatz
des Armierungsverbandes vorzugsweise ohne Übermaß eingelegt, wobei der Armierungsverband
Druckspannungen in dem keramischen Stempel einstellt. Mittels eines
Rechenprogramms ist die Auslegung und Berechnung der Armierungsverbände durchführbar. Die Armierungsringe
der Armierungsverbände
werden entsprechend auf ihre Beanspruchbarkeit ausgelegt, wobei
das erforderliche Übermaß zwischen
den verschiedenen Ringen derart berechnet wird, dass der Oberstempel
ohne einen Einpressvorgang unter Druckeigenspannungen steht. Durch
das Fügen
des Oberstempels in den keramischen Einsatz wird das Versagen des
Oberstempels reduziert und die Werkzeuglebensdauer positiv beeinflusst.
Der
Unterstempel des erfindungsgemäßen Werkzeugs
ist vorzugsweise im unteren Armierungsverband frei beweglich, da
der untere Armierungsverband, der im Untergesenk des Werkzeugs eingelegt ist,
in Richtung auf das Untergesenk durch den Unterstempel geführt wird.
Dabei ist der Unterstempel fest mit dem Gesenkgrundkörper montiert.
Ein Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass der Unterstempel
aus Keramik die Zentrierung des unteren und oberen Armierungsverbandes,
die die gleichen Außenabmessungen
aufweisen, übernimmt.
Es
ist denkbar, dass der Unterstempel zweiteilig aus einem Keramikdorn,
der in einen Stahlhalter eingeschrumpft ist, aufgebaut ist. Dabei
sind bei formgebenden Werkzeugteilen dieser Art die unterschiedlichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten
von Keramik und Stahl zu beachten, um Risse im Werkzeug zu vermeiden.
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein
keramischer Einsatz des oberen und/oder des unteren Armierungsverbandes
von mindestens einem metallhaltigen Ring und/oder keramischen Ring
vorgespannt.
Ein
wesentlicher Vorteil der Verwendung eines keramischen Werkstoffs
für das
Schmiedewerkzeug liegt darin, dass er bei hohen Prozesstemperaturen
im Bereich von ca. 1300–1600°C während des Thixoschmiedens
von Stahl eine hohe Druckfestigkeit, hohe Thermoschockbeständigkeit,
gute Korrosionsbeständigkeit,
geringe Wärmeausdehnung,
geringe Kleb- und Haftneigung gegenüber teilflüssigem Stahl und eine hohe
Warmfestigkeit bei gleichbleibender Härte aufweist. Besonders wichtig
für den Einsatz
des Werkzeugs beim Thixoschmieden ist die hohe Thermoschockbeständigkeit,
da zwischen Werkzeug und Schmiedeteil ein zyklisch wiederkehrender
hoher Temperaturgradient existiert. Des Weiteren verfügt das erfindungsgemäße Werkzeug
aus Keramik über
einen hohen abrasiven und erosiven Verschleißwiderstand – und zwar
insbesondere auch bei den erhöhten
Thixoschmiedetemperaturen. Somit unterliegt das Werkzeug kaum einem
Verschleiß und
deshalb ist eine lange Lebensdauer Kennzeichen dieses Werkzeugs.
Ein
weiterer Vorteil eines Werkzeuges aus Keramik ist die Oberflächenqualität des Schmiedeteils,
die sich durch die formgebenden keramischen Werkzeugteile einstellt.
Die hohe Oberflächenqualität des Schmiedeteils
ist auf die geringe Wärmeabfuhr ins
Werkzeug, auf die erhöhte
Schmiedetemperatur und auf die geringeren chemischen Wechselwirkungen
zwischen den formgebenden keramischen Werkzeugteilen und dem Schmiedeteil
aus Thixostahl zurückzuführen.
Besonders
vorteilhaft bei diesem Werkzeug aus Keramik erweist sich die Realisierung
von Hinterschneidungen im ersten Formgebungsschritt und dünnen Rippen
mit langen Fließwegen,
welche durch konventionelles Gesenkschmieden nicht herstellbar sind.
Diese Hinterschneidungen sind sowohl in der horizontalen als auch
in der vertikalen Richtung im Schmiedeteil einbringbar. Außerdem können mittels des
erfindungsgemäßen Werkzeugs
endabmessungsnahe (Near-Net-Shape) Schmiedeteile hergestellt werden,
aufgrund des fest-flüssigen
Zustandes der Schmiedeteile aus Stahl in einem Temperaturbereich
zwischen ca. 1300–1600°C. Aufgrund
der Zweiphasigkeit des Thixostahls (fest-flüssiger Zustand) ist die Formfüllung des
Schmiedeteils über
dem gesamten Werkzeug sehr gut. Die Kanten und die Flanschenden
des Schmiedeteils werden sehr gut abgebildet, wobei die Übergangsradien
eine zentrale Rolle einnehmen. Somit können Schmiedeteile komplexer
Geometrien, beispielsweise endabmessungsnah und rotationssymmetrisch,
mit guter Maßgenauigkeit ohne
weitere Zwischenstufen mittels eines einzigen Werkzeuges bei Verkürzung der
Prozesskette hergestellt werden.
Das
erfindungsgemäße Werkzeug
gewährleistet
eine geringe Formgebungsarbeit und dabei eine Kostenreduzierung.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Werkzeugs besteht darin,
dass die zum Thixoschmieden verwendete hydraulische Schmiedepresse
im Vergleich zu herkömmlichen Schmiedepressen
nur einen Hydraulikmechnismus aufweist, der zur Ansteuerung des
oberen Pressengestells und somit des oberen Gesenkgrundkörpers und
des Obergesenkes dient, und sich damit als sehr wirtschaftlich erweist.
Es
ist denkbar die formgebenden Werkzeugteile teils aus Keramik und
teils aus Warmarbeitsstahl auszugestalten. Bei der Auslegung solcher
Werkzeuge sind die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
zu beachten, um Rissausbreitungen im Werkzeug zu vermeiden.
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält die Keramik
Si3N4.
Ein
Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
besteht in den sehr guten thermomechanischen Eigenschaften dieser
Hochleistungskeramik, der s.g. Ingenieurkeramik Si3N4. Si3N4 zeichnet
sich durch relativ hohe Festigkeit auch bei hohen Temperaturen aus,
sowie gute Oxidationsbeständigkeit, hohe
Härte,
hoher Verschleißwiderstand
und ein sehr gutes Thermoschockverhalten.
Ein
anderer Vorteil von Si3N4 besteht
in der Möglichkeit,
die Eigenschaften des Si3N4-Werkstoffs in
Abhängigkeit
der Einsetzung über
die Wahl der Zusammensetzung und des Herstellungsverfahrens „maßgeschneidert" einzustellen. Der
Einsatz von Si3N4 erlaubt
die Realisierung von komplexen Gravurgeometrien für Thixoschmiedewerkzeuge.
Dabei wird die Gravurgeometrie aus den Geometrien der keramischen
Einsätze
und der keramischen Stempel gebildet.
Die
Herstellung der formgebenden Werkzeugteile aus Si3N4-Keramik
hat den wesentlichen Vorteil, dass bei hohen Temperaturen die Oberfläche der
Si3N4-Keramik durch
die Thixostähle
nur in geringem Maße
korrosiv verändert
und damit eine längere Werkzeuglebensdauer
möglich
wird.
Es
ist denkbar auch andere Keramiken mit weniger Porosität einzusetzen,
wie z. B. Sialon, Al2O3,
Al2O3-Cr2O3-SrO-ZrO2-Y2O3 (ZPTA),
ZrO2 oder auch poröse Keramiken, wie AlTiO5, die gut bearbeitbar sind, gute Thermoschockeigenschaften
und niedrige Materialkosten aufweisen. Zusätzlich ist es auch möglich eine
Si3N4-Keramik mit
hohem Yttrium- oder Ytterbium-Anteil, die sich durch eine hohe Festigkeit
und hohe Korrosionsbeständigkeit
auch bei Temperaturen über
1000°C an
Luft auszeichnet, einzusetzen.
Ein
Vorteil des erfindungsgemäßen Werkzeugs
liegt darin, dass das Werkzeug werkstoffgerecht entsprechend den
vorliegenden thermischen und mechanischen Randbedingungen während des Thixoschmiedens
konstruiert ist. Bei dem erfindungsgemäßen Werkzeug sind die unterschiedlichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten
von Keramik und Stahl berücksichtigt.
Hierbei ist der keramische Einsatz des erfindungsgemäßen Werkzeugs
vorzugsweise von mindestens einem keramischen Isolierungsring, mindestens
einem Hartmetallring und mindestens einem Ring aus Warmarbeitsstahl
kalt vorgespannt. Diese Werkstoffreihenfolge ist der im Werkzeug
vorliegenden Temperaturverteilung angepasst. Dabei besitzt das Hartmetall
eine höhere
Temperaturbeständigkeit
und einen höheren
E-Modul als der Warmarbeitsstahl. Es ist durchaus möglich, die
metallischen Armierungsringe, die als Verstärkung des keramischen Einsatzes
dienen, nur aus Stahl, insbesondere wegen der hohen Zugfestigkeit
des Werkstoffes, oder aus einem anderen metallischen und/oder metallhaltigen
Werkstoff, insbesondere Verbundwerkstoff, zu gestalten. Die Isolierungsringe sind
vorzugsweise zwischen den keramischen Einsätzen und den Armierungsringen
positioniert. Diese Ausgestaltung des Armierungsverbandes gewährleistet
eine produktionssichere Herstellung. Insgesamt weist dieser Armierungsverband
eine hohe Thermoschockbeständigkeit,
eine geringe Wärmeleitfähigkeit,
eine geringe Kleb- und Haftneigung und eine höhere Standzeit auf.
Besonders
vorteilhaft ist hierbei, dass durch die erfindungsgemäße Auslegung
des Armierungsverbandes die Armierungsringe in den auf Zug beanspruchten
keramischen Einsätzen,
wegen beispielsweise einer Erhöhung
der Rissanfälligkeit
in der Keramik, Druckspannungen erzeugen. Somit wird die gesamte
Werkzeugkonstruktion an die formgebenden Werkzeugteile aus Keramik
angepasst. Insbesondere die Armierungsringe nehmen die Zugspannungen
auf, damit die keramischen Einsätze
vorwiegend mit Druckspannungen beansprucht werden.
Bei
der Auslegung der Armierungsverbände wird
dabei berücksichtigt,
dass an der Innenwand des keramischen Einsatzes und des Armierungsringes,
insbesondere des Hartmetallringes, die tangentialen Spannungen minimiert
werden und den Einsatz sowie die Ringe des Armierungsverbandes maximal
bis zu ihrer 0,2%-Dehngrenze beanspruchbar auszugestalten sind.
Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Werkzeuges besteht darin,
dass die Armierungsverbände
einen modularen Aufbau aufweisen. Dabei können die Einsätze sowohl
einteilig als auch segmentiert ausgestaltet werden. Vorzugsweise
werden bei einem segmentierten Aufbau die Trennschnitte der einzelnen
Segmente einer rotationsförmigen Gruppe
von Ringen und/oder Einsätzen
mit kleinerem Umfang zu den Trennschnitten der einzelnen Segmente
einer folgenden rotationsförmigen
Gruppe von Ringen und/oder Einsätzen
mit größerem Umfang
versetzt zueinander positioniert. Somit können unterschiedliche Schmiedeteilgeometrien
vorzugsweise mit einem Werkzeug auf einer Thixoschmiedepresse hergestellt
werden, ohne die Verwendung eines zusätzlichen Werkzeugs. Hierdurch
ist insgesamt auch eine größere konstruktionstechnische Freiheit
bei der Auslegung der Schmiedeteilgeometrie und damit des gesamten
Thixoschmiedewerkzeugs sowie eine größere Flexibilität bei der
Art und Weise der Zuführung
des thixotropen Rohlings in die Thixoschmiedepresse möglich. Somit
sind zum einen Schmiedeteilgeometrien ohne separate Werkzeugsätze und
zum anderen Schmiedeteile aus verschiedenen Ausgangswerkstoffen
herstellbar. Dadurch, dass die keramischen Einsätze austauschbar sind, sind
verschiedene Schmiedeteilgeometrien mit reduziertem Kapitalaufwand
produzierbar.
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens
ein Armierungsverband und/oder mindestens ein Stempel mit einer
Wärmeisolationsschicht
wärmeisoliert.
Hierdurch
gewährleistet
die Beschichtung des Armierungsverbandes und/oder des Stempels mit
einer Wärmeisolationsschicht
einerseits einen Schutz gegen Thermoschockbeanspruchung der formgebenden
Werkzeugteile und somit des ganzen Werkzeugs und andererseits wird
die Wärmeabfuhr an
die Oberfläche
des im Bereich von 1300–1600°C vorgeheizten
thixotropen Rohlings reduziert, damit der radiale Temperaturgradient über dem
Querschnitt so klein wie möglich
gehalten werden kann und der Werkstoff des Rohlings länger im
thixotropen Zustand verbleibt. Je länger der Werkstoff des Rohlings im
thixotropen Zustand verbleibt, desto länger ist der Werkstoff des
Rohlings verformbar, da ein erhöhtes Fließvermögen im thixotropen
Zustand vorliegt. Der Erstarrungsvorgang wird dementsprechend verlängert.
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das
Werkzeug zum Schmieden von Radnabenrohlingen, insbesondere Vorderradnabenrohlingen
und/oder Antriebsköpfen
für Fahrzeuge ausgebildet.
Grundsätzlich ist
mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug
jede beliebige Schmiedegeometrie herstellbar.
Vorteilhaft
bei dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Werkzeuges ist es, dass
beispielsweise die Verzahnung einer Radnabe in einem Umformverfahrensschritt
mittels einem Werkzeug eingeschmiedet werden kann. Dagegen sind
beim konventionellen Schmieden solcher Radnaben mehrere insbesondere
vier Umformverfahrensschritte notwendig. Beim Thixoschmieden können weitere
Umformverfahrensschritte, wie z. B. ein anschließender Zerspanungsprozess eingespart
werden, so dass das Verfahren Thixoschmieden insgesamt wirtschaftlicher
gestaltet werden kann. Die erhöhte
Fertigungstiefe dieses komplexeren Thixoschmiedeprozesses stellt
sich gegenüber
dem konventionellen Schmiedeverfahren kostengünstiger und damit wirtschaftlicher
dar.
Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Thixoschmieden von Schmiedeteilen mit den Verfahrensschritten:
- – Einlegen
eines thixotropen Rohlings in ein Untergesenk,
- – Bewegen
eines Obergelenks mit einem Oberstempel in Richtung auf das Untergesenk
mit einem Unterstempel,
- – Schmieden
des Rohlings auf Endgeometrie,
- – Zurückfahren
des Obergesenks und Lösen
des thixotropen Rohlings von dem Unterstempel, wobei
- – ein
oberer Armierungsverband verwendet wird, welcher mit dem Obergesenk
und dem Oberstempel starr verbunden ist und kontaktlos zum thixotropen
Rohling auf das Untergesenk aufgesetzt wird,
- – formgebende
Werkzeugteile aus Keramik verwendet wer den.
Ein
wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Thixoschmieden
besteht darin, dass komplexe Schmiedeteilgeometrien in einem Formgebungsschritt
endabmessungsnah (Near-Net-Shape)
mit einer definierten Form aus thixotropen Rohlingen hergestellt
werden können.
Dabei ist die Fertigung von hochwertigen, wärmebehandelbaren, druckdichten
Schmiedeteilen zu gussähnlichen
Preisen möglich.
Mit den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Schmiedeteilen wird die Reduzierung des Gewichts an
hochbelasteten Metallformteilen im Kraftfahrzeugbau ermöglicht.
Das
erfindungsgemäße Verfahren
führt dazu,
dass die Beanspruchbarkeit des Schmiedeteils gegenüber einem
Gussteil aufgrund verbesserter Werkstoffeigenschaften höher ist,
da bei diesem Verfahren die Reinheit des Stoffes durch Reduzierung von
Oxidhäuten
und Teilchen verbessert sowie die Erstarrungsporosität und die
Lunkerbildung vermieden werden. Die Prozesskette, in der diese Schmiedeteile
hergestellt werden ist kurz und kostengünstig. Zusätzlich eröffnet dieses Verfahren neue
Formgebungsmöglichkeiten
für konventionell
schwer zu verarbeitende Rohlingswerkstoffe.
Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
dass der obere Armierungsverband, vorzugsweise starr mit dem Obergesenk
und dem Oberstempel verbunden, kontaktlos zum thixotropen Rohling
auf dem unteren Armierungsverband und anschließend auf den unteren Gesenkgrundkörper aufgesetzt
werden kann. Dabei werden die Armierungsverbände formschlüssig und dicht
verschlossen. Somit wird das Obergesenk mit dem oberen Armierungsring
in Richtung des unteren Gesenkgrundkörpers gefahren, bis es mit
dem unteren Gesenkgrundkörper
in Kontakt tritt. Dies gewährleistet
ein spritzerfreies Thixoschmieden des zweiphasigen Rohlingswerkstoffs.
Eine spezielle Vorbehandlung des Rohlingwerkstoffs führt zu einem
Gefüge,
bei dem globulitisch eingeformte, feste Bestandteile in einer schmelzflüssigen Matrix
vorliegen. Wird dieser Rohlingwerkstoff in seinem fest-flüssigen Zustand
während
der Formfüllung
einer äußeren erzwungenen
Scherbelastung unterworfen, so tritt eine Erhöhung des Fließvermögens, also
eine Verringerung der Viskosität
ein. Somit lässt
sich eine Füllung selbst
komplexerer Geometrien im Gegensatz zum konventionellen Schmieden
unter geringem Kraftbedarf erzielen. Im Gegensatz zum konventionellem Guss
liegt das für
das Thixoschmieden notwendige Temperaturniveau teilweise deutlich
niedriger, womit die thermische Belastung der Werkzeuge und Formen
verringert wird. Entsprechend geringer ist der Einsatz von Wärmeenergie
und die an die Umgebung abgegebenen Wärmeverluste. Zusätzlich wirkt
sich die herabgesetzte Verarbeitungstemperatur vorteilhaft auf die
Maßhaltigkeit
der abzubildenden Schmiedeteilgeometrie aus, da die Maß- und Formänderung sowie
der Volumensprung während
der Erstarrung der schmelzflüssigen
zweiten Phase geringer als beim konventionellen Guss ist. Ferner
weist das durch Thixoschmieden hergestellte Schmiedeteil eine hohe
Festigkeit auf. Die Materialverluste können durch entsprechende Formgebung
des Rohlings minimiert werden. Dadurch erweist sich das erfindungsgemäße Verfahren
als sehr prozesssicher und materialsparend.
Vorzugsweise
werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren
formgebende Werkzeugteile derart hergestellt, dass die Stempel und
Einsätze
im oberen und unteren Armierungsverband aus Keramik bestehen. Als
Keramikwerkstoff wird vorzugsweise Si3N4-Keramik
wegen ihrer guten Thermoschockeigenschaften verwendet. Ein derartiger
Keramikwerkstoff bietet gute Gleiteigenschaften für die formgebenden
Werkzeugteile beim Thixoschmie den des thixotropen Rohlings und ist
zudem temperaturbeständig.
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird beim Schmieden das Obergesenk mit dem oberen Armierungsverband auf
einen hervorstehenden unteren Armierungsverband derart aufgesetzt,
dass der untere Armierungsverband in Richtung auf einen unteren
Gesenkgrundkörper
gefahren wird und dabei von dem Unterstempel geführt wird.
Diese
Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass der thixotrope Rohling durch
den Einlegespalt vereinfacht zugeführt werden kann und von dem
hervorstehenden unteren Armierungsverband, der beabstandet zum oberen
Armierungsverband positioniert ist, aufgenommen werden kann. Dabei
befindet sich der Armierungsverband in einer Ausstoßposition,
wobei die Zuführung
des thixotropen Rohlings in einem zwischen dem oberen und unteren
Armierungsverband liegenden Zuführbereich
des Werkzeugs erfolgt. Lediglich in seiner Ausgangsposition kann
es je nach Schmiedeteilgeometrie oder Verfahrensmodifizierung erforderlich
sein, dass der Armierungsverband nur teilweise aus dem unteren Gesenkgrundkörper herausgeführt ist.
Dabei hängt
die Form des Einsatzabdrucks des oberen und unteren Armierungsverbandes
stark von der Geometrie des Schmiedeteils ab. So weisen die Armierungsverbände bei
beispielsweise rotationssymmetrischem Aufnahmeraum der Einsätze jeweils
unterschiedliche Innendurchmesser mit gleicher Mittelachse auf.
Die Beschickung kann manuell oder vorzugsweise mit einem Roboter
erfolgen.
Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
dass der obere Armierungsverband, vorzugsweise starr mit dem Obergesenk
und dem Oberstempel verbunden, kontaktlos zum thixotropen Rohling
auf den unteren Armierungsverband und anschließend auf den unteren Gesenkgrundkörper aufgesetzt
werden kann. Dabei werden die Armierungsverbände formschlüssig und dicht
verschlossen. Somit wird das Obergesenk mit dem oberen Armierungsring
zusammen mit dem unteren Armierungsverband mitsamt darin aufgenommenem
thixotropen Rohling in Richtung des unteren Gesenkgrundkörpers gefahren,
bis es mit dem unteren Gesenkgrundkörper in Kontakt steht. Bei
dieser Bewegung des Obergesenks in Richtung des unteren Gesenkgrundkörpers wird
der untere Armierungsverband über
einen Rückführmechanismus
gegen den unteren Gesenkgrundkörper
gedrückt.
In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass der untere Armierungsverband gegen einen Rückführmechanismus im unteren Gesenkgrundkörper gedrückt wird.
Diese
Ausgestaltung hat den Vorteil, dass der Rückführmechanismus die Schließkraft des
unteren Armierungsverbandes mit dem Obergesenk aufbringt. Somit
erübrigt
sich ein Hydraulikmechanismus, der in konventionellen Pressen das
Untergesenk antreibt.
Ein
weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass sich verfahrensbedingt
ein Auswerfer zum Entformen des Schmiedeteils erübrigt. Da der untere Armierungsverband
durch den Rückführmechanismus
in Richtung des getrennt zurückfahrenen
Obergesenks bewegt wird, lässt
sich das abgekühlte
und geschrumpfte Schmiedeteil den formgebenden Werkzeugteilen durch
die kleineren temperaturbedingten Abmessungen einfach entnehmen.
Vorzugsweise
werden in der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
autonome Gasfedern als Rückführmechanismus
eingesetzt. Dabei kann auch eine Sonderanfertigung der Gasfedern
vorgenommen werden, wenn die Kraft und/oder der Hub der Standardgasfedern
zu gering ist.
Alternativ
oder additiv dazu können
Dämpfer und/oder
mechanische oder hydraulische Federsysteme als Rückführmechanismus eingesetzt werden.
Im
Rahmen des verwendeten Verfahrens wird beim Entformen das Obergesenk
zurückgefahren,
wobei die unteren formgebenden Werkzeugteile im Untergesenk mittels
des Rückführmechanismus
in Richtung auf das Obergesenk bewegt werden.
Hierbei
ist es vorteilhaft, dass der Einsatz aus Keramik gemeinsam mit dem
unteren Armierungsverband durch Druckfedern in Richtung des Obergesenkes
gedrückt
wird. Somit wird die Presse in ihrer Ausgangsstellung um einen Einlegespalt
versetzt und dabei kann das Schmiedeteil von dem Unterstempel gelöst werden.
Bei einer werkstoffgerechten Auslegung der Gasfedern bildet sich
ein Einlegespalt zur Entnahme des fertig thixogeschmiedeten Schmiedeteils
und Zuführung
des nächsten
thixotropen Rohlings.
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der
Rückführmechanismus
auf Aufschlagplatten angebracht.
Besonders
vorteilhaft ist es hierbei, dass die Aufschlagplatten, die am Untergesenk
angebracht sind, den Rückführmechanismus,
insbesondere die Gasfedern, vor Zerstörung bewahren. Dabei sind die Gasfedern
mit einer Kraft von beispielsweise 4500N beansprucht und setzen
einen Hub von zum Beispiel ca. 84 mm um. Dabei kann die Beanspruchung
und der Hub variiert werden.
Ferner
können
die Gasfedern mit Isolationsschichten, die zwischen dem Gesenk und
den Gasfedern angebracht werden, vor zu hohen Temperaturen geschützt werden.
In
einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens,
wird ein Rohling aus Stahl verwendet.
Diese
Ausgestaltung zeigt den Vorteil, dass das erfindungsgemäße Verfahren
für hochschmelzende
Werkstoffe angewendet werden kann. Ferner weist das erfindungsgemäße Verfahren
ein besonders günstiges
Fließverhalten
sowie eine vorteilhafte Formfüllung
des Stahls während
des Formgebungsprozesses sowie eine möglichst optimal ausgebildete Temperaturverteilung
während
der Erstarrung und Abkühlung
im Werkzeug und Schmiedeteil auf.
Das
erfindungsgemäße Verfahren
gewährleistet
das Thixoschmieden von s.g. Thixostählen, wie zum Beispiel Pleuelstählen, wie
80MnS5, die bevorzugt ein großes
Erstarrungsintervall aufweisen, in dem sowohl Schmelze als auch
bereits feste kristalline Phasen (fest-flüssiger Zustand) existieren
und dabei eine vergleichsweise niedrige Verarbeitungstemperatur
besitzen. Hierbei erfolgt das Thixoschmieden des Rohlingswerkstoffs
aus Pleuelstahl bei einer Temperatur von ca. 1450°C spritzerfrei.
Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin,
dass sich ein thixotroper Stahl schon bei einer Temperatur oberhalb
der Solidustemperatur durch Thixoschmieden umformen lässt, während beim
herkömmlichen
Giessen von Stahl die Giesstemperatur immer oberhalb der Liquidustemperatur
sein muss.
Besonders
vorteilhaft ist es hierbei, dass das erfindungsgemäße Verfahren
ein Thixoschmieden von nahezu porenfreien Schmiedeteilen mit einem nahezu
homogenen Gefüge
und einer guten Formfüllung
gewährleistet.
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden
beim Schließen
des Werkzeugs die Gesenke mittels Führungssäulen zentriert.
Um
eine vorteilhafte vertikale Zentrierung beim Schließen und Öffnen des
Ober- und Untergesenkes einzustellen, werden vorzugsweise das Ober-
und Untergesenk mit Führungssäulen beispielsweise
in den Ecken des Gesenkgrundkörpers
miteinander verbunden.
Die
horizontale Zentrierung beim Schließen des Ober- und Untergesenkes
ist durch eine konventionelle Schmiedepresse nicht immer gewährleistet und
wird deswegen von dem erfindungsgemäßen Werkzeug übernommen.
In
einer bevorzugten Ausführung
des Verfahrens werden der untere Armierungsverband und der untere
Gesenkgrundkörper
mittels beispielsweise zwei Führungssäulen zentriert.
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird unter Schutzgasatmosphäre,
vorzugsweise Argon, thixogeschmiedet.
Diese
Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
bietet den Vorteil, dass eine Randoxidation des thixotropen Rohlings
unterbunden wird. Durch den randoxidationsfreien Rohling werden
keine Oxidteilchen, keine Oxidhäute
und kein Flitter in das Schmiedeteil eingebracht, so dass kein Bauteilversagen
ausge hend von diesen Defekten erwartet wird und eine erhöhte Bauteilfestigkeit
sich einstellt.
In
einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird das Werkzeug während
des Betriebes beheizt.
Das
erfindungsgemäße Verfahren
gewährleistet
eine Minimierung der thermomechanischen Beanspruchungen des Werkzeugs.
Die Beheizung des Werkzeuges, insbesondere der formgebenden Werkzeugteile,
wird in ähnlicher
Weise wie die Beheizung des Rohlings während der Vorbehandlung zur Einstellung
eines globulitischen Gefüges
vorgenommen. Sowohl während
des Thixoschmiedens mit vorgeheizten Werkzeugen als auch während der
Vorbehandlung des Rohlings zur Einstellung eines globulitischen
Gefüges
werden die Temperaturgradienten zwischen Werkzeug und Rohling durch
die Beheizung reduziert. Dadurch erfolgt eine verzögerte Erstarrung
des thixotropen Rohlings, die zu verbesserten Werkstoffeigenschaften
im Schmiedeteil führt.
Darüber hinaus
gewährleistet
das erfindungsgemäße Verfahren
einen thixotropen Zustand im Rohling während des Thixoschmiedens,
wobei die thixotropen Eigenschaften im Rohling während des Thixoschmiedens beibehalten
werden. Dies erlaubt eine verbesserte Formfüllung und eine Erhöhung der Formfüllzeit.
Darüber
hinaus ermöglichen
die thixotropen Eigenschaften im Rohling während des Thixoschmiedens,
dass die zum Thixoschmieden erforderlichen Presskräfte gering
gehalten werden können.
Ferner
bildet sich beim Einlegen des heißen thixotropen Rohlings in
das auf Raumtemperatur temperierte Werkzeug ein steiler Temperaturgradient aus. Über eine
Erwärmung
der form gebenden Werkzeugteile wird das Werkzeug einer geringeren
Thermoschockbeanspruchung ausgesetzt. Somit wird die Lebensdauer
der Keramik in den formgebenden Werkzeugteilen erhöht.
In
einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden die formgebenden Werkzeugteile vor der Zuführung des
Rohlings in die Schmiedepresse mit einem heißen Gasstrom angeströmt.
Dadurch
wird eine Erwärmung
der formgebenden Werkzeugteile gewährleistet. Dabei kann der heiße Gasstrom
mit einem Industrieheißluftgebläse oder
einer offenen Flamme aus einem Gasbrenner erfolgen.
Alternativ
oder additiv dazu kann die Erwärmung
der formgebenden Werkzeugteile mit einem Heizkörper erfolgen, der mit einer
speziell an den Abdruck der formgebenden Werkzeugteile angepassten Form
ausgestaltet wird. Dabei wird der Heizkörper in die keramischen Einsätze vorzugsweise
innerhalb weiniger Minuten bis einiger Stunden eingelegt, um die
gewünschte
Werkzeugtemperatur einzustellen.
In
dieser Ausführung
werden im Heizkörper genormte
Standard Hochleistungs-Heizpatronen untergebracht, die die thermomechanischen
Beanspruchungen beispielsweise der Keramik in den formgebenden Werkzeugteilen
während
des Thixoschmiedens reduzieren. Dabei werden die Hochleistungs-Heizpatronen
von einem zusätzlichen
Mess- und Steuergerät
vorzugsweise außerhalb
des Werkzeuges bedient und mit elektrischer Energie versorgt.
Hierbei
bietet das erfindungsgemäße Verfahren
nicht nur eine Verbesserung der Werkstoffeigenschaften eines nach
diesem Verfahren hergestellten Schmiedeteils, sondern durch dieses
Verfahren wird die Lebensdauer der formgebenden Werkzeugtei len und
damit des Werkzeugs erhöht
und dabei das Verfahren besonders wirtschaftlich ausgestaltet.
Ein
geringerer Temperaturgradient zwischen Werkzeug und thixotropem
Rohling verlängert
die Lebensdauer des Werkzeugs und führt zusätzlich zu einer besseren Schmiedeteilqualität.
Diese
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
eignet sich besonders gut für
eine Serienherstellung von thixogeschmiedeten Schmiedeteilen.
Alternativ
oder additiv zu dieser Ausgestaltung kann die Erwärmung des
Werkzeugs mit einer Heizung mittels beispielsweise genormten Standard Hochleistungs-Heizpatronen
im Gesenkgrundkörper durchgeführt werden,
die über
den Umfang und an der Ober- und Unterseite des Werkzeugs untergebracht
sind.
Es
ist auch denkbar die Heizung in dem keramischen Einsatz des Armierungsverbandes
unterzubringen, wobei vorzugsweise Hochleistungs-Flachrohrheizkörper in
mehreren umlaufenden Rechtecknuten in den Einsätzen aus Keramik positioniert
sind.
Alternativ
oder additiv dazu kann die Erwärmung
im Werkzeug vorzugsweise mit genormten Standard Hochleistungs-Heizpatronen,
welche im innersten Armierungsring über den Umfang untergebracht
sind, erfolgen.
In
einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann die Erwärmung
im Werkzeug mittels stromdurchflossenen Heizdräten, vorzugsweise aus einer
NiCr-Legierung stattfinden, wobei die Heizdrähte bei der Herstellung der
Einsätze
aus Keramik in die Keramik einzuarbeiten sind. Dabei werden die
Heizdräte
von einem zusätzlichen Regeldraht
wäh rend
des Thixoschmiedens außerhalb
des Werkzeuges mit elektrischer Energie versorgt.
Nachfolgend
werden die erfindungsgemäßen Gegenstände anhand
von Ausführungsbeispielen
und der Figur näher
erläutert.
Hierbei gehen aus der Figur und ihrer Beschreibung weitere Merkmale und
Vorteile der Erfindung hervor. Dabei zeigt:
1 eine
schematische Seitenansicht eines Teilbereichs des Thixoschmiede-Werkzeugs
mit oberem und unterem Armierungsverband,
In 1 ist
ein Werkzeug 1 aus einem zweigeteilten Gesenkwerkzeug 2, 3 dargestellt,
das zwei gekühlte
Armierungsverbände 4, 5 beinhaltet,
in denen Si3N4-Keramik
Einsätze 6, 7 mit
Armierungsringen 8, 9 und 10, 11 vorgespannt
sind.
Das
Werkzeug 1 ist mit einem Untergesenk 3, das durch
eine untere Gesenkplatte 13, s.g. Druckplatte, getragen
ist, und mit einem Obergesenk 2 ausgerüstet, das mit einer oberen
Gesenkplatte 12 und mit einem oberen Gesenkgrundkörper 14 verbunden
ist. Das Obergesenk 2 ist mit dem oberen Gesenkgrundkörper 14 hydraulisch
verfahrbar. Dabei ist ein Oberstempel 16 aus Si3N4-Keramik mit einer Stempelhalterung
im oberen Gesenkgrundkörper 14 starr über eine
Klemmverbindung 18 positioniert und verfahrbar mit dem
oberen Gesenkgrundkörper 14 ausgestaltet.
Ein Teil des Si3N4-Keramik
Oberstempels 16 ist durch einen oberen Armierungsverband 4 verstärkt, der
aus einem oberen Si3N4-Keramik
Einsatz 6 und aus zwei metallischen Armierungsringen 8,9 modular
aufgebaut ist, dabei ist ein Teil des Si3N4-Keramik Oberstempels 16 im oberen
Si3N4-Keramik Einsatz 6 vorgespannt.
Der erste Armierungsring 8 in Bezug auf den oberen Si3N4-Keramik Einsatz 6 besteht
aus Hartmetall G55 (WC-Co) und umgibt den oberen Si3N4-Keramik Einsatz 6 formschlüssig. Dabei
sind der obere Si3N4-Keramik
Einsatz 6 und der erste Armierungsring 8 von einem
zweiten Armierungsring 9 aus Warmarbeitsstahl (X35CrMoV5)
kalt vorgespannt.
Die
Berechnung und Auslegung der Armierungsverbände 4, 5 wird
mit einem Rechenprogramm derart durchgeführt, dass die Si3N4-Keramik
Einsätze 6, 7 unter
Druckspannungen und die Armierungsringe 8, 9 und 10, 11 unter
Zugspannungen beansprucht sind. Ferner werden die Si3N4-Keramik Einsätze 6,7 mit
1°-Schräge in die
ersten Armierungsringe 8, 10 kalt eingepresst.
Das
Obergesenk 2 wird für
den Betrieb mit einem Oberbär
der hydraulischen Schmiedepresse verbunden und ist in Richtung des
Untergesenks 3 und in entgegengesetzter Richtung in Bezug
auf das Untergesenk 3 beweglich ausgebildet. Um eine vertikale
Zentrierung des Ober- und Untergesenks 2, 3 einzustellen,
sind das Ober- und Untergesenk 2, 3 durch vier
Gleitführungssäulen, hier
nicht dargestellt, miteinander verbunden, die in den Ecken der Gesenkgrundkörper 14, 15 positioniert
sind.
In
dem Untergesenk 3 ist ein unterer Armierungsverband 5 auf
einem Rückführmechanismus 19 gelagert,
der für
die erforderliche Schließkraft
des Thixoschmiedewerkzeugs während
des Umformprozesses sorgt. Dabei ist der Rückführmechanismus 19,
bestehend aus sechzehn autonomen Kompakt-Gasdruckfedern, auf vier
Aufschlagplatten, hier nicht abgebildet, die am Untergesenk 3 angebracht sind,
befestigt. Die autonomen Kompakt-Gasdruckfedern
verfahren beim Entformen den unteren Armierungsverband 5 mit
dem Untergesenk 3 in Richtung auf das hydraulisch angesteuerte
Obergesenk 2. Dabei steht der untere Armierungsverband 5 in
Bezug auf den unteren Gesenkgrundkörper 15 hervor und ist
mit Halterungen, hier nicht dargestellt, an dem Untergesenk 3 fixiert.
Der
untere Armierungsverband 5 ist entsprechend dem oberen
Armierungsverband 4 aus einem unteren Si3N4-Keramik Einsatz 7 und aus zwei
Armierungsringen 10, 11 aufgebaut.
Aufgrund
des ortsfesten Si3N4-Keramik
Unterstempels 17 kommt es zu einer Relativbewegung von
unterem Armierungsverband 5 und Unterstempel 17.
Dabei zentriert der Si3N4-Keramik
Unterstempel 17 den unteren und oberen Armierungsverband 5, 4. Die
Zentrierung des unteren Armierungsverbandes 5 in Bezug
auf den unteren Gesenkgrundkörper 15 wird
unterstützend
von zwei Gleitführungssäulen, hier
nicht dargestellt, übernommen.
Ferner übernimmt
der Unterstempel 17 die horizontale Zentrierung beim Schließen von
Ober- und Untergesenk 4, 5.
Wie
in 1 gezeigt, wird zunächst ein auf 1450°C erwärmter aus
einem thixotropen Pleuelstahl, 80MnS5, bestehender Rohling, hier
nicht abgebildet, auf den hervorstehenden unteren Armierungsverband 5 eingesetzt
und in dem Untergesenk 3 aufgenommen. Dabei ist das Ober-
und Untergesenk 4, 5, insbesondere die formgebenden
Werkzeugteile 7, 17 und 6, 16 mittels
acht Heizpatronen 20 vorgewärmt, wobei die Si3N4-Keramik Einsätze 6, 7 auf
ca. 700°C
und die Armierungsringe 8, 9 und 10, 11 auf ca.
350°C bis
400°C vorgewärmt sind
und somit unter den kritischen Temperaturen (50°C bis 500°C) der verwendeten Armierungswerkstoffe
liegen.
Die
kontrollierte Erwärmung
des Rohlings erfolgt außerhalb
des Thixoschmiedewerkzeugs und dient zur Einstellung eines globulitischen
Gefüges
im Rohling. Diese Vorbehandlung des Rohlings führt zu einem Verkürzen der
Taktzeit des Thixoschmiedens und hat eine entscheidende Bedeutung
für die
Herstellung des Schmiedeteils. Dabei erfolgt die Beschickung vorzugsweise
durch Roboter.
Vor
dem Thixoschmieden wird der Rohling von der Oxidhaut durch eine
Oxidabstreifung getrennt. Daraufhin wird das Obergesenk 2 in
Richtung Untergesenk 3 hydraulisch abgesenkt, während das Obergesenk 2 durch
die Gleitführungssäulen geführt wird.
Wenn
das Obergesenk 2 in Richtung Untergesenk 3 mit
einer vorgegebenen konstanten Geschwindigkeit abgesenkt wird, kommt
das Obergesenk 2 zuerst mit dem hervorstehenden unteren
Armierungsverband 5 in Kontakt, der durch die autonomen
Gasdruckfedern in Richtung Obergesenk 2 gedrückt wird.
Dabei wird das Obergesenk 2 mit den formgebenden Werkzeugteilen 4, 16 auf
den unteren Armierungsverband 5 derart aufgesetzt, dass
es kontaktlos mit dem in den unteren Armierungsverband 5 fixierten
Rohling bleibt. Wenn das Obergesenk 2 weiter gegen den
Widerstand der autonomen Gasdruckfedern langsam abgesenkt wird,
bis das Ober- mit dem Untergesenk 2, 3 in Eingriff
steht, tritt der Rohling mit dem Si3N4-Keramik Unterstempel 17 in Kontakt,
wird auf Endgeometrie geschmiedet und der Thixoschmiedevorgang wird
beendet. Dabei findet das Thixoschmieden unter Argon-Schutzgasatmosphäre statt.
Beim Entformen nach dem Abkühlen
des Schmiedeteils wird das hydraulisch verfahrbare Obergesenk 2 zurückgefahren,
wobei die formgebenden Werkzeugteile 7, 17 im
Untergesenk 3 mittels der autonomen Gasdruckfedern in Richtung
auf das Obergesenk 2 bewegt wird. Die Ausgangsstellung der
hydraulischen Schmiedepresse ist offen.
Die
Erfindung ist nicht nur auf das beschriebene Beispiel von formgebenden
Werkzeugteilen aus homogener Keramik in einem Werkzeug zum Thixoschmieden
beschränkt,
sondern die formgebenden Werkzeugteile können auch aus Werkstoffverbänden, beispielsweise
Keramik mit metallischen Anteilen hergestellt werden. Weiterhin
ist denkbar, dass die keramischen Einsätze aus Keramiken ausgestaltet
sind, die in Schichten aufgebracht sind. Dabei werden die keramischen
Einsätze
axial vorgespannt. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, die Armierungsverbände aus
einem keramischen Einsatz, einem oder mehreren keramischen Isolierungsringen und
aus drei oder mehr Armierungsringen aufzubauen.
Zusätzlich können anstelle
von Pleuelstählen
als Rohlingswerkstoff Stähle
mit besonders feinkörnigem
Gefüge
wie z. B. mikrolegierte ausscheidungshärtbare ferritisch-perlitische
Stähle
(AFP), wie z. B. 38MnSiVS5, oder Vergütungsstähle, insbesondere 42CrMo4,
oder Kohlenstoffstähle
(C45) verwendet werden.
Die
Erfindung läßt sich
allgemein auf Schmiedeteile und Thixoschmiedewerkzeuge anwenden.