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Vorrichtung zur Ouerschnittsverringerung und Oberflächenreinigung
von Draht oder Stangen aus Metall Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Fertigbearbeitung
von Draht oder Stangen aus Metall mit einer den Werkstückquerschnitt verringernden
Führungsmatrize, einem mit dieser gleichachsig angeordneten Schälwerkzeug und einer
gleichachsig gehaltenen Fertigziehmatrize.
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Die Bearbeitung von Draht oder Stangen mit einem der Fertigziehmatrize
vorgeschalteten Schälwerkzeug dient dazu, vor dem Fertigziehen Fehler, insbesondere
Verunreinigungen, von der Oberfläche des Werkstücks zu entfernen, die sich mit einer
Ziehmatrize nicht beseitigen lassen. Es ist bekannt, daß sich bei Vorrichtungen
der beschriebenen Gattung am Schälwerkzeug häufig unstabile Schnittbedingungen einstellen,
die dazu führen, daß das Werkstück eine wellige Oberfläche erhält, wobei jeweils
auf einer Seite des Werkstücks eine zu große Metallmenge abgetragen wird, während
auf der entgegengesetzten Seite nur wenig oder überhaupt kein Metall entfernt wird,
so daß häufig fehlerhaftes Metall auf der Oberfläche des Werkstücks verbleibt, das
auch von der Fertigziehmatrize nicht mehr beseitigt werden kann. Die Welligkeit
des aus dem Schälwerkzeug austretenden Werkstücks kann sogar, insbesondere wenn
das Werkstück ein Draht oder eine Stange aus Metall ist, so stark sein, daß die
Fertigziehmatrize die Oberfläche des Werkstücks nicht einmal glätten kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen,
mit der sich Metall von der Oberfläche eines draht- oder stangenförmigen Werkstücks
abschälen läßt, ohne daß dabei Unstabilitäten der beschriebenen Art und ihre nachteiligen
Folgen auftreten.
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Es ist ein Versuch zur Lösung dieser Aufgabe bekannt, der vorsieht,
daß das Werkstück durch ein Kissen aus vorzugsweise unter Druck stehender Schmierflüssigkeit
im Schälwerkzeug zentriert wird. Die Bildung eines Flüssigkeitskissens an den Kanten
des Schälwerkzeugs soll ohne großen Verlust an Flüssigkeit und ohne entsprechenden
Aufwand von Pumparbeit dadurch ermöglicht werden, daß im Bereich des Schälwerkzeugs
ein geschlossener Ringraum vorgesehen ist, in dem sich die Flüssigkeit unter Druck
setzen läßt. Als vordere Begrenzung des Ringraums dient die Schneidkante des Schälwerkzeugs.
Um auch die nötige hintere Begrenzung des Ringraums zu schaffen, sieht der bekannte
Vorschlag eine im Abstand hinter dem Schälwerkzeug angeordnete Ziehmatrize vor.
Die Ziehmatrize dient hier also allein dem Zweck, den Aufbau eines Flüssigkeitsdruckes
im Bereich des Schälwerkzeugs zu ermöglichen. Zwangläufig ergibt sich bei Anordnung
einer Ziehmatrize hinter dem Schälwerkzeug der weitere Vorteil, daß der im Anschluß
an den Schälvorgang ohnehin erforderliche Ziehvorgang gleich mit dem Schälvorgang
kombiniert wird, so daß es nicht mehr erforderlich ist, das Werkstück im Anschluß
an das Schälen in einem getrennten Arbeitsgang und einer getrennten Vorrichtung
fertigzuziehen. Über die Gestaltung und Anordnung der Fertigziehmatrize enthält
der bekannte Vorschlag keine näheren Angaben.
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Es ist ferner bekannt, die Lösung der beschriebenen Aufgabe in der
Gestaltung und den Arbeitsbedingungen des Schälwerkzeugs bei einer Vorrichtung der
eingangs beschriebenen Ausbildung zu suchen. Im einzelnen soll die radiale Komponente
der vom Schälwerkzeug auf das Werkstück ausgeübten Kraft erhöht werden, beispielsweise
durch Verwendung eines Schälwerkzeugs mit niedrigem oder negativem Spanwinkel. Auch
wird die Verwendung eines Schmiermittels empfohlen, das einen hohen Reibungskoeffizienten
zwischen Schälwerkzeug und Werkstück ergibt. Ein weiterer Beitrag zur Stabilisierung
des Schälvorgangs wird in einer günstigen Bemessung der Dicke der abzuschälenden
Schicht, insbesondere in Verbindung mit der Anordnung von Spanbrechern, gesucht.
Ferner soll die Gestaltung des Schälwerkzeugs hinsichtlich seines Umrisses und
des
Werkstoffs, aus dem es besteht, einen günstigen Einfluß haben, und schließlich wird
noch empfohlen, den Anstellwinkel oder die Auflagefläche des Werkstücks auf dem
Schälwerkzeug zu vermindern.
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Die bekannten Vorschläge bekräftigen die an sich naheliegende Vermutung,
daß den Relativschwingungen zwischen dem Werkstück und dem Schälwerkzeug mit den
beschriebenen nachteiligen Folgen nur durch Maßnahme am Schälwerkzeug selbst begegnet
werden kann und daß im Schälwerkzeug einmal entstandene Schwingungen auch für die
weitere Bearbeitung in der Fertigziehmatrize als gegeben hingenommen werden müssen.
Demgegenüber wurde nun gefunden, daß überraschenderweise gerade die Gestaltung und
Anordnung der Fertigziehmatrize einen Einfluß auf das Schwingungsverhalten des Werkstücks
im Schälwerkzeug hat. Erfindungsgemäß werden die beschriebenen Schwingungen des
Werkstücks gegenüber dem Schälwerkzeug bei einer Vorrichtung der eingangs genannten
Gattung dadurch entscheidend vermindert oder ganz vermieden, daß der Ausgangsquerschnitt
der Fertigziehmatrize mindestens 1.,5 Klo und höchstens 4 % geringer ist als der
Eingangsquerschnitt bei einem Abstand von 25 mm zwischen Schälwerkzeug und Führungswerkzeug
und bei einem größeren Abstand die Querschnittsverringerung in der Fertigziehmatrize
größer als 4 % ist.
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Um bereits vor dem Eintritt des Werkstücks in das Schälwerkzeug möglichst
günstige Voraussetzungen für einen stabilen Schälvorgang zu schaffen, ist es zweckmäßig,
dafür zu sorgen, daß die Abweichungen des Werkstücks vom vorgesehenen Profil schon
von der Führungsmatrize beseitigt werden. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung
ist daher der Ausgangsquerschnitt des Führungswerkzeugs nicht größer als der kleinste
Querschnitt des zugeführten Werkstücks.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen
an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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F i g. 1 ist eine schematische Darstellung einer Anordnung zum Durchführen
des erfindungsgemäßen Verfahrens; F i g. 2 zeigt im Längsschnitt die gewellte Werkstückoberfläche,
die sich bis jetzt ausbildet, wenn man ein Schabwerkzeug zum Abtragen von Metall
von der Werkstückoberfläche benutzt, nachdem das Werkstück durch ein Ziehwerkzeug
hindurchgezogen wurde, um den Querschnitt des Werkstücks zu verkleinern; F i g.
3 ähnelt F i g. 2, veranschaulicht jedoch die größere Konzentrizität, die sich bei
der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beim Abtragen von Metall und bei
der Verkleinerung des Werkstückquerschnitts erzielen läßt; F i g. 4 ist ein Schaubild,
das Angaben wiedergibt, die eine Beziehung zwischen der Ausbildung einer gewellten
Werkstückoberfläche und dem Ausmaß der Querschnittsverkleinerung durch das hintere
Werkzeug sowie dem Abstand zwischen dem Schabwerkzeug und dem vor diesem angeordneten
Ziehwerkzeug herstellen.
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In F i g. 1 ist das Schabwerkzeug mit 10 bezeichnet. Das dem Schabwerkzeug
unmittelbar nachgeschaltete Ziehwerkzeug, bei dem es sich um das Fertigziehwerkzeug
handelt, ist mit 12 bezeichnet. Ferner ist ein mit 14 bezeichnetes Ziehwerkzeug
unmittelbar vor dem Schabwerkzeug 10 angeordnet; dieses Ziehwerkzeug wird
auch als Führungswerkzeug bezeichnet.
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Während des Gebrauchs der Anordnung nach F i g. 1 wird das Stahlmaterial
16 kontinuierlich nacheinander durch das Führungswerkzeug 14, das Schabwerkzeug
10 und das Fertigziehwerkzeug 12 geführt. Bei dem Führungswerkzeug 14 und dem Fertigziehwerkzeug
12 handelt es sich um Ziehwerkzeuge von bekannter Konstruktion.
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Nachdem die Entstehung einer gewellten Werkstückoberfläche beobachtet
worden war und man die verschiedenen möglichen Ursachen für diese Erscheinung sowie
deren Auswirkungen untersucht hatte, wurden zahlreiche Versuche durchgeführt, um
entweder das Ausmaß der Auswanderung des Werkstücks gegenüber dem Schabwerkzeug
zu verringern oder um vorzugsweise das Entstehen einer gewellten Werkstückoberfläche
vollständig auszuschalten. Diese Untersuchungen bezogen sich auf folgende Punkte:
1. Bestimmung der Wirkung der linearen Bewegungsgeschwindigkeit des Metalls gegenüber
dem Schabwerkzeug durch Variieren der linearen Geschwindigkeit des durch das Werkzeug
hindurchgeführten Werkstücks.
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2. Ermittlung der Wirkung des Schmierstoffdrucks in dem Zeitpunkt,
in welchem das Werkstück durch das Schabwerkzeug hindurchbewegt wird, durch Variieren
des durch den Schmierstoff auf das Werkstück aufgebrachten Drucks.
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3. Ermittlung der die Stabilität des Schneidvorgangs beeinflussenden
Größen durch Variieren des Schmierstoffdurchsatzes an der Berührungsstelle zwischen
dem Schabwerkzeug und dem Werkstück.
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4. Bestimmung der Beziehung zwischen der durch das Führungswerkzeug
bewirkten Querschnittsverminderung und dem Ausmaß der Welligkeit der Werkstückoberfläche,
die sich ausbildet, während das Werkstück das dem Führungswerkzeug nachgeschaltete
Schabwerkzeug passiert.
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5. Ermittlung der Beziehung zwischen der Querschnittsverringerung
durch das Fertigziehwerkzeug hinter dem Schabwerkzeug und der Unstabilität des Schneidvorgangs
während der Bewegung des Werkstücks durch das Schabwerkzeug.
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6. Bestimmung der Beziehung zwischen dem Abstand des Führungswerkzeugs
vom Schabwerkzeug und dem Ausmaß der Welligkeit der Werkstückoberfläche.
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7. Bestimmung der Abhängigkeit der Unstabilität während des Schneidvorgangs
durch Variieren der Profilform des Schabwerkzeugs, z. B. des Spanwinkels, des Freiwinkels
und des Steg- oder Räumabstandes (land or broach clearance).
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ß. Bestimmung des Einflusses der geometrischen Form des dem Schabwerkzeug
nachgeschalteten Fertigziehwerkzeugs auf die Unstabilität des Schneidvorgangs. Die
umfangreichen Untersuchungen, die sich aus der Möglichkeit ergaben, jeden der vorstehend
genannten Faktoren zu variieren, haben gezeigt, daß die lineare Geschwindigkeit
des Werkstücks gegenüber
dem Werkzeug und die Geschwindigkeit der
Schmierstoffzufuhr nur eine geringe oder überhaupt keine Wirkung auf die Stabilität
des Schneidvorgangs ausüben, und daß man diese Faktoren innerhalb ziemlich weiter
Grenzen variieren kann, ohne daß sich eine größere Wirkung auf die Stabilität des
Schneidvorgangs einstellt.
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Bei derjenigen Bedingung, die offenbar den größten Einfluß auf das
Entstehen einer gewellten Werkstückoberfläche und die erwähnte Unstabilität ausübt,
handelt es sich um das Ausmaß der Querschnittsverringerung, die durch das dem Schabwerkzeug
unmittelbar nachgeschaltete Werkzeug herbeigeführt wird. Wenn das Ausmaß der Verkleinerung
des Werkstückquerschnitts durch das dem Schabwerkzeug unmittelbar nachgeschaltete
Fertigziehwerkzeug etwa 4% oder mehr beträgt, wird das Entstehen einer gewellten
Werkstückoberfläche bzw. das Auftreten einer Unstabilität beim Schabvorgang im wesentlichen
vollständig ausgeschaltet, und zwar unabhängig von den zahlreichen anderen variablen
Größen, die weiter oben besprochen wurden.
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Ferner wurde festgestellt, daß sich die beschriebene Unstabilität
auch bei einer Querschnittsverringerung von weniger als 4 % durch das Fertigziehwerkzeug
vermeiden läßt, wenn eine bestimmte Beziehung zwischen dem Ausmaß der Querschnittsverringerung
und dem Abstand des Führungswerkzeugs von dem Schabwerkzeug vorgesehen wird. Mit
anderen Worten, wenn das Entstehen einer gewellten Werkstückoberfläche vermieden
werden soll, besteht eine Abhängigkeit zwischen der Querschnittsverringerung und
dem erwähnten Abstand. Es wurde festgestellt, daß dann, wenn der Abstand zwischen
dem Führungswerkzeug und dem Schabwerkzeug etwa 3,8 mm oder weniger bzw. bis zu
etwa 25 mm beträgt, eine Stabilität des Schneidvorgangs bei einer Querschnittsverringerung
von weniger als 4 % bis herab zu etwa 1,5 % erzielt werden kann. Demnach ergibt
sich ein Bereich der Querschnittsverringerung von 1,5 bis 4 1/o, innerhalb dessen
der Abstand zwischen dem Führungswerkzeug und dem Schneidwerkzeug keine kritische
Rolle mehr spielt. Bei einer Querschnittsverringerung von weniger als 1,5 % durch
das Fertigziehwerkzeug tritt unabhängig von den verschiedenen besprochenen variablen
Größen weiterhin die beschriebene Erscheinung auf, die darin besteht, daß das Werkstück
eine gewellte Oberfläche erhält.
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Die vorstehenden Angaben sind in F i g. 4 durch eine Kurve veranschaulicht.
Die aus F i g. 4 ersichtlichen Angaben gelten für einen bestimmten Stahl. Der Durchmesser
des warmgewalzten Stahlmaterials wurde mit Hilfe der in F i g. 1 gezeigten Anordnung
mit zwei Ziehwerkzeugen und einem dazwischen angeordneten Schneidwerkzeug von etwa
16,7 mm auf etwa 15,1 mm verkleinert. Bei einer Laufgeschwindigkeit des Stahlmaterials
von etwa 58 m/min wurde ein Schmierstoff verwendet, wobei der Druck des zugeführten
Schmierstoffs etwa 64 kp/cm2 betrug. Bei allen Versuchen wurde ein Schabwerkzeug
mit einem Spanwinkel von 13° benutzt. Der Abstand zwischen dem Schabwerkzeug und
dem Führungswerkzeug wurde variiert und betrug bis zu etwa 56 mm, während die Querschnittsverringerung
durch das Fertigziehwerkzeug zwischen 1.,3 und 6,5 % variiert wurde.
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Man erkennt aus F i g. 4, daß eine gewellte Werkstückoberfläche unter
allen Bedingungen dann beobachtet wurde, wenn die Querschnittsverringerung durch
das Fertigziehwerkzeug weniger als etwa 1,5 % betrug. Zwischen 1,5 und 2 % bis hinauf
zu etwa 4 0/0 ließ sich das Entstehen einer gewellten Werkstückoberfläche nur dann
erheblich einschränken oder im wesentlichen vermeiden, wenn der Abstand zwischen
dem Führungswerkzeug und dem Schabwerkzeug weniger als etwa 38 bis 41 mm betrug.
Bei einer Querschnittsverringerung durch das Fertigziehwerkzeug von mehr als 4 %
war eine Bearbeitung des Materials möglich, ohne daß eine gewellte Oberfläche entstand,
und zwar unabhängig vom Abstand zwischen dem Führungswerkzeug und dem Schabwerkzeug,
ferner unabhängig vom Spanwinkel des Schabwerkzeugs und im wesentlichen unabhängig
von vielen der übrigen schon erwähnten veränderlichen Größen.
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Bis jetzt wurde das Führungswerkzeug hauptsächlich dazu benutzt, das
Stahlmaterial so zu führen und es auf das Schabwerkzeug auszurichten, daß das Material
gegenüber dem Schabwerkzeug zentriert wird. Zu diesem Zweck wurde es für ausreichend
gehalten, während des Hindurchführens des Stahlmaterials durch das Führungswerkzeug
einen solchen Druck aufzubringen, daß möglicherweise eine Querschnittsverringerung
bis zu 1 % erzielt wird.
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Es wurde festgestellt, daß die Verwendung des Führungswerkzeugs als
ein dem Schabwerkzeug vorgeschaltetes Ziehwerkzeug zu einer erheblichen Verbesserung
des Schabvorgangs führt. Wenn der Ausgangsquerschnitt des Führungswerkzeugs 14 nicht
größer ist als der kleinste Querschnitt des dem Führungsziehwerkzeug zugeführten
Stahlmaterials, dient das Führungsziehwerkzeug dazu, jede Unrundheit sowie Druckstellen,
Knicke oder andere Profilabweichungen des der Vorrichtung zugeführten Stahlmaterials
auszuschalten, damit dem Schabwerkzeug ein Stahlmaterial mit gleichmäßigem und konstantem
Querschnitt zugeführt wird. Bei Rundstangen oder Rundstäben kann man die Querschnittsverringerung
durch das Führungsziehwerkzeug genauer als den Unterschied zwischen dem größten
und dem kleinsten Radius des Materials bzw. als die Unrundheit definieren. In vielen
Fällen überschreiten die Abweichungen erheblich die Querschnittsverringerung von
10/0 oder weniger, die bis jetzt mit Hilfe des Führungsziehwerkzeugs bewirkt wird,
so daß das dem Schabwerkzeug zugeführte Stahlmaterial Abschnitte von unterschiedlicher
Querschnittsform aufweist. Dies bewirkt, daß die Dicke des mit Hilfe des Schneidwerkzeugs
abgetragenen Spans variiert, wodurch der Schneidvorgang unstabil wird. In manchen
Fällen wäre es sogar möglich, daß dem Schneidwerkzeug Stahlmaterial zugeführt wird,
bei dem die Größe der Abweichungen die Schnittiefe überschreitet, so daß Teile der
Oberfläche des Materials nicht von dem Schneidwerkzeug bearbeitet werden. Infolgedessen
bleiben Fehlstellen auf der Werkstückoberfläche zurück, die vor dem Zuführen des
Materials zu dem Fertigziehwerkzeug eigentlich entfernt werden sollten. Dadurch,
daß mit einer Querschnittsverringerung gearbeitet wird, bei der die erwähnten unerwünschten
Erscheinungen vermieden werden, wird eine größere Stabilität des Schneidvorgangs
erzielt. Der durch das Schneidwerkzeug abgetragene Span ist über den ganzen Umfang
des Werkstücks gleichmäßig, so daß Gewähr dafür besteht, daß Metall von der gesamten
Werkstückoberfiäche
abgetragen wird. Infolgedessen wird dem Fertigziehwerkzeug
auf gleichmäßige Weise frischer Stahl zugeführt, der durch den Schneidvorgang von
Verunreinigungen und Fehlstellen befreit worden ist, so daß ein gleichmäßigeres
Erzeugnis mit besseren physikalischen und mechanischen Eigenschaften hergestellt
werden kann.
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Es sei bemerkt, daß sich die Querschnittsverringerung durch das Führungsziehwerkzeug
nach den größten Abweichungen bezüglich des Profils des zugeführten Materials richtet,
daß es jedoch zur Erzielung optimaler Ergebnisse zweckmäßig ist, mit einer Querschnittsverringerung
von mehr als 3 0/0 und vorzugsweise von 5 0l0 zu arbeiten. Jedoch ist es nicht zweckmäßig,
ein Führungsziehwerkzeug zu benutzen, das eine Querschnittsverringerung von mehr
als 15 bis 20 % bewirkt.
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Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß das Abtragen
von Metall von der Werkstückoberfiäche und das Verringern des Werkstückquerschnitts
dadurch erheblich verbessert wird, daß bestimmte Bedingungen eingehalten werden.
Hierbei handelt es sich um die Querschnittsverringerung durch das Führungsziehwerkzeug
und das Fertigziehwerkzeug sowie in manchen Fällen um die geeignete Wahl des Abstandes
zwischen dem Führungsziehwerkzeug und dem Schabwerkzeug, wobei gemäß der Erfindung
eine größere Stabilität des Schneidvorgangs gewährleistet wird, so daß sich ein
verbessertes Erzeugnis herstellen läßt.