DE19835478A1 - Verfahren und Einrichtung zur Herstellung nahtloser Radreifen und deren Prüfung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Herstellung nahtloser Radreifen und deren Prüfung. Verfahrensgemäß wird ein Block (1) durch Pressen oder Schmieden in seiner Höhe reduziert und in seinem Durchmesser vergrößert, dieser Block gelocht und durch Walzen die endgültige Form erzeugt. Erfindungsgemäß findet als Blockmaterial bereits umgeformtes Ausgangsmaterial Anwendung. Vor der Verringerung der Gesamthöhe des Blockes (1) durch Pressen oder Schmieden wird dieser zuerst in dessen Mittelbereich gestaucht. Dazu ist auf dem Pressentisch (2) und/oder am Stempel (3) ein Stauchelement (4) angeordnet. Nach dem Pressen oder Schmieden erfolgt unter Vermeidung des Vorlochens das Lochen, wobei der Lochstempel einen Durchmesser aufweist, der in dem Bereich liegt, der durch die Mantelfläche des Stauchelementes (4) erzeugt wurde. Zur Prüfung erfolgt die Entnahme der Proben an den Positionen, an welchen eine Gefährdung vorliegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Herstellung nahtloser Radreifen und deren Prüfung nach den Oberbegriffen des 1., 7. und 13. Patentanspruchs. Radreifen werden bei schienengebundenen Fahrzeugen und Waggons eingesetzt, daher müssen hohe Anforderungen an die Riß- und Bruchsicherheit gestellt werden.

Radreifen werden derzeit ausschließlich aus gegossenen Blöcken, insbesondere abgeschöpften Roh- oder Vorblöcken hergestellt. Alle Oberflächenfehler sollen während der Fertigungsvorgänge beseitigt werden. Die Roh- oder Vorblockabschnitte werden mittels Fallhammer oder Presse mit ebenen Umformflächen geschmiedet, anschließend vorgelocht und danach gelocht. Anschließend werden sie durch Walzen in die endgültige Form gebracht. Während der Fertigung der Radreifen erfolgt deren Kennzeichnung durch Stempeln und zwar mit einer Höhe von 8 bis 10 mm und einer Tiefe bis maximal 6 mm auf einer ebenen Stirnfläche des Radreifens. Die technischen Lieferbedingungen für diese Rohradreifen aus gewalztem, unlegiertem Stahl für Triebfahrzeuge und Wagen sind in der derzeit gültigen internationalen Norm UIC 810-1 V, vom 04. August 1981, festgelegt. Darin enthalten sind unter anderem auch die oben genannten Festlegungen zum Fertigungsverfahren.

Begingt durch die Wahl des Ausgangswerkstoffes und das Fertigungsverfahren entstehen gravierende Unterschiede der Umformgrade in den einzelnen Querschnittszonen des Radreifens.

In den Bereichen des Spurkranzes, an der gegenüberliegenden Stirnseite und am Außendurchmesser des Radreifens entstehen Zonen mit niedrigem Umformgrad. Aufgrund dieser schlechten Gefügestruktur kann es in der Spurkranzzone zum Ausbrechen von Material kommen. Der mittlere Bereich des Innendurchmessers weist hohe Umformgrade auf.

Speziell in dem Bereich dem Vorlochens entsteht eine Zone mit sehr hohem Umformgrad an der Trennstelle des anschließend ausgelochten Butzens. Dies bedeutet:

• - Materialüberbeanspruchung
• - Zone eventuell vorhandener Ungänzen (Seigerungen Lunkerreste usw.)
• - Rißbildung
• - Gittertrennungen, interkristalline Risse

und dadurch bedingt die Bruchgefahr des Radreifens aus dieser Zone heraus.

Weiterhin besteht die Gefahr, daß an der Kante zwischen dem Bereich des gebremstem Werkstofffluß zwischen Stempel und Gußblock und zwischen dem sich anschließenden Bereich eines freien Werkstoffflusses eine Kantenfalte ausbildet, die in den Stempelbereich hineinreicht. Beim nachfolgenden Stempeln werden diese ca. 2 mm tiefen Risse in den Radreifen eingeformt und durch die anschließende spanende Bearbeitung nicht beseitigt.

Die Prüfung der Radreifen erfolgt nach der o.g. internationalen Norm durch eine Entnahme von zwei radial übereinander liegenden Proben in der Mitte und einer Probe im Eckbereich zwischen dem Innendurchmesser und der Stirnflächen, welcher dem Spurkranz gegenüberliegt. Dies sind die Bereiche, in denen das Gefüge normal ausgebildet ist und nicht die gefährdeten Bereiche des Radreifens. Dadurch werden Prüfergebnisse der Festigkeitseigenschaften verfälscht.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Herstellung nahtloser Radreifen zu entwickeln, welches die Riß- und Bruchsicherheit durch Minimierung gravierender Unterschiede der Umformgrade erhöht und eine Prüfung zu schaffen, die eine realistische Beurteilung der Qualität des Radreifens gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des 1., 7. und 13. Patentanspruchs gelöst.

Das Herstellungsverfahren der nahtlosen Radreifen erfolgt bekannter Weise durch Pressen oder Schmieden eines Blockes, wobei dieser in seiner Höhe reduziert und in seinem Durchmesser vergrößert wird. Nach dem Lochen wird durch Walzen die endgültige Form erzeugt. Dabei findet erfindungsgemäß erstmalig im Widerspruch zu den gültigen Prüfbedingungen kein gegossener Block Anwendung sondern ein durch Umformen erzeugter Block, vorzugsweise aus Walzstahl oder geschmiedetem Stahl mit Umformgraden von ≧ 2,5. Vor dem Schmieden bzw. Pressen erfolgt in dem Bereich, in welchem die Lochung erfolgen soll, ein Stauchen dessen Mittelbereiches. Nach dem Pressen oder Schmieden wird unter Vermeidung des Vorlochens das Lochen durchgeführt wird, wobei die erzeugte Stauchung zur Zentrierung des Lochstempels dient. Zur Begünstigung des radialen Werkstoffflusses weist das Stauchelement eine sich in Stauchrichtung radial durchmesserverringernde Stempelfläche auf. Das Stauchen des Mittelbereiches mit dem Stauchelement kann an einer oder beiden Stirnflächen des Blockes erfolgen, im letzteren Fall an sich gegenüberliegenden Positionen. Das Stauchen und das Schmieden werden vorzugsweise in einem Hub auf eine Presse durchgeführt.

Zur Durchführung des Verfahrens weist entweder der Pressentisch und/oder der Stempel ein Stauchelement auf, mit welchem eine Querschnittsverringerung des Blockes im Lochbereich erfolgt. Zur Begünstigung des radialen Werkstoffflusses weist das Stauchelement in Stauchrichtung eine sich radial durchmesserverringernde Stauchfläche auf, die sich beispielsweise kegelstumpfförmig oder kugelsegmentförmig verjüngt.

Der Durchmesser des Lochstempels wird so gewählt, daß er in dem Bereich liegt, der durch die Mantelfläche des Stauchelementes erzeugt wurde. Er sollte etwa 20 bis 30 mm kleiner sein als der sich an den Stempel anschließende Durchmesser des Stauchelements, jedoch maximal 250 mm.

Die Höhe des Stauchelements sollte maximal 20 bis 25% der Radreifenbreite betragen.

Die Prüfung der nahtlosen Radreifen, erfolgt erfindungsgemäß, im Widerspruch zu der Norm UIC 810-1V, durch die Entnahme der Proben an den Positionen, an denen eine Gefährdung vorliegt.

Dies sind mindestens

• - eine Probe in der Mitte des Spurkranzquerschnittes
• - eine Probe in der Höhe der Stempelung und
• - eine Probe in etwa in der Mitte zwischen den Stirnflächen nahe des Innendurchmessers des Radreifens.

In der Mitte des Spurkranzquerschnittes sollte dabei sowohl eine Probe zur Kerbschlagbiegeprüfung als auch eine Zugprobe entnommen werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Presse mit am Stempel angeordneten Stauchelement in Ausgangsposition,

Fig. 2 Presse nach Fig. 1 nach dem Umformvorgang,

Fig. 3 Lochen,

Fig. 4 Querschnitt durch einen Radreifen mit Darstellung der Umformgrade,

Fig. 5 Probenanordnung.

Gem. Fig. 1 liegt der Block 1 auf dem Pressentisch 2. Über dem Block befindet sich der Stempel 3, an welchem in Richtung zum Block ((Stauchrichtung) ein Stauchelement angeordnet ist. Das Stauchelement 4 ist in der Art eines Kegelstumpfes ausgebildet, der sich in Richtung zum Block in Winkel von 45° verjüngt. Der am Stempel 3 liegende Durchmesser D des Stauchelements 4 sollte etwas größer sein als der Durchmesser des Lochstempels bei anschließendem Lochen.

Die Höhe h des Stauchelements 4 sollte 20-30% der Radreifenbreite betragen.

Der durch Stauchen und Pressen in seiner Höhe verringerte vorgeformte Block nach dem Umformvorgang ist in Fig. 2 dargestellt. Dabei ist gekennzeichnet, wie der Bereich der Kantenfalte durch das Stauchen radial nach außen verschoben wurde. K1 kennzeichnet die Lage der Kantenfalte nach dem herkömmlichen Verfahren und K2 die Lage nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Damit wird vermieden, daß die Kantenfalte (Risse bis 2 mm Tiefe) in die Stempelung eingeformt wird.

Das sich anschließende Lochen erfolgt ohne Vorlochen. Dadurch werden Werkstoffüberbeanspruchungen im Lochbereich vermieden. Der Lochstempel 5 greift vorteilhafter Weise gem. Fig. 3 im Bereich der durch das Stauchelement 4 erzeugten Schrägen an. Dadurch wird der Faserverlauf des Werkstoffes nicht wesentlich beeinträchtigt.

Der Querschnitt durch einen Radreifen mit der Darstellung der Umformgrade (nach herkömmlichen Verfahren hergestellt) wird in Fig. 4 gezeigt. Im Spurkranz 6 und im Bereich des Außendurchmessers 7 und der sich gegenüber dem Spurkranz 6 anschließenden Stirnfläche 8 sind Zonen b mit ungenügendem Umformgrad vorhanden, das bedeutet, es liegt eine Minimierung der mechanischen Eigenschaften und eine schlechte Gefügestruktur vor. Am Innendurchmesser 9 ist in Richtung zur Stirnseite 10 eine Zone a hoher Umformung erkennbar, diese liegt in der Trennstelle des Butzens und wurde zum großen Teil durch das Vorlochen erzeugt. In dieser Zone liegt eine Materialüberbeanspruchung vor sowie eventuell Ungänzen (Seigerungen oder Lunkerreste) und es können Gittertrennungen und interkristalling Risse entstehen, wodurch insgesamt die Gefahr der Rißbildung und des Bruches gegeben ist.

Diese Nachteile werden durch den Einsatz bereits vorgeformten Werkstoffs und das neuartige Verfahren vermieden.

Die neue Probenanordnung für die Prüfung der Radreifen ist in Fig. 5 dargestellt. Die Entnahme der Proben erfolgt an den Positionen, an denen eine Gefährdung vorliegt. Dies sind mindestens

• - eine Probe P1 zur Kerbschlagbiegeprüfung und eine Probe P2 zur Zugprüfung in der Mitte des Querschnittes des Spurkranzes 6
• - eine Probe P3 zur Kerbschlagbiegeprüfung in der Höhe der Stempelung
• - eine Probe P4 zur Kerbschlagbiegeprüfung in etwa in der Mitte zwischen den Stirnflächen der Mitte des Radreifens nahe an dessen Innendurchmesser 9

entnommen wird.

Durch einen zukünftig vorgeschriebenen Einsatz von umgeformten Material mit Umformgrad 2,5 und größer ergeben sich in der Addition mit den zu erreichenden Umformgraden beim Ringwalzen Umformgrade von mindesten 4 und größer in den bisherigen sensiblen Zonen b (Fig. 4) des Radreifens im Spurbereich 6 und der beiden Stirnseiten 8 und 10.

Ein zusätzlicher positiver Effekt ergibt sich aus der Tatsache der Umformung mit hohem "Reinheitsgrad" im Kernbereich des Ausgangsmaterials. Infolgedessen wird die Gefahr von noch verbliebenen Seigerungen, Lunkerresten und sonstigen Ungänzen im Innendurchmesser des Radreifens nach dem Lochen ausgeschlossen. Durch das Stauchen mittels kegligen oder gerundeten Stauchflächen (Stauchsattel) wird ein besseres "Fließen" der Ausgangsblockkanten ermöglicht. Damit wird gewährleistet, daß die durchaus noch bestehende Faltenbildung einerseits aus der gefährlichen Zone der Stempelung verlagert wird und andererseits infolge des möglichen freien Werkstoffflusses eine Ausglättung erfährt. Eventuell verbleibende Reste der Faltenbildung werden durch die mechanische Bearbeitung hundertprozentig beseitigt. Eine Rißbildung in der Stempelung wird vermieden.

Der Wegfall des Vorlochens und das Lochen des gestauchten Rohlings im Ganzen, bewirkt die Verhinderung und Vermeidung von Rißbildungen aller Art im Innendurchmesser des Radreifens infolge von Überbeanspruchung des Materials.

Sie bewirken weiterhin eine wesentliche Bereinigung eventuell noch vorhandener Ungänzen aus dem ehemaligen Kernbereich des Ursprungsmaterials. Die, wie beim klassischen Verfahren eventuell ebenfalls entstehenden, Sergrate (infolge Werkzeugverschleiß) beim Lochen, werden in Zonen verlagert, die mit den höchsten Bearbeitungs­ zugaben versehen sind. Eventuell auftretende kleinen Überwalzungen werden somit mechanisch beseitigt. Durch die erstellte Mindestenstanforderung am Lochdurchmesser, wird eine Gewährleistung für das Auslochen eines eventuell mit Fehlern behafteten Kernbereiches des Ausgangsblockes erreicht.

Durch die Veränderung der Lage der zu entnehmenden Proben gem. Fig. 2, wird eine sachlich fundierte Kontrolle des Istzustandes der mechanischen Eigenschaften in den bis dato sensiblen Zonen erreicht.

Claims (15)

1. Verfahren zur Herstellung nahtloser Radreifen, wobei

• - ein Block durch Pressen oder Schmieden in seiner Höhe reduziert und in seinem Durchmesser vergrößert wird,
• - ein Lochen des Blockes erfolgt und anschließend,
• - durch Walzen die endgültige Form erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet,
• - daß als Blockmaterial bereits umgeformtes Ausgangs­ material Anwendung findet,
• - daß vor der Verringerung der Gesamthöhe des Blockes durch Pressen oder Schmieden zuerst ein Stauchen dessen Mittelbereiches erfolgt,
• - und daß nach dem Pressen oder Schmieden unter Vermeidung des Vorlochens das Lochen durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß umgeformtes Ausgangsmaterial mit Umformgraden von ≧ 2,5 Anwendung findet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Walzstahl oder geschmiedeter Stahl als Ausgangsmaterial Anwendung findet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche von 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Stauchen des Mittelbereiches zur Begünstigung des radialen Werkstoffflusses unter Anwendung eines Stauchelementes erfolgt, das eine sich in Stauchrichtung radial durchmesserverringernde Stempelfläche aufweist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche von 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Stauchen des Mittelbereiches mit dem Stauchelement an einer oder beiden Stirnflächen des Blockes erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche von 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Stauchen und das Pressen oder Schmieden in einer Bearbeitungsstation erfolgen.

7. Einrichtung zur Herstellung nahtloser Radreifen mit einem Pressentisch und einem Stempel zum Vorformen des Blockes, einem Lochwerkzeug zum Lochen und einem Walzwerkzeug zum Erzeugen der endgültigen Form, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Pressentisch und/oder am Stempel ein Stauchelement angeordnet ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Stauchelement eine sich in Stauchrichtung radial durchmesserverringernde Stauchfläche aufweist.

9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Stauchfläche kegelstumpfförmig oder kugelsegmentförmig verjüngt.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche von 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, der Lochstempel einen Durchmesser aufweist, der in dem Bereich liegt, der durch die Mantelfläche des Stauchelementes erzeugt wurde.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Lochstempels in etwa 20 bis 30 mm kleiner ist als der sich an den Stempel anschließende Durchmesser des Stauchelements, jedoch maximal 250 mm.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche von 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Stauchelements maximal 20 bis 25% der Radreifenbreite entspricht.

13. Prüfung nahtloser Radreifen, dadurch gekennzeichnet, daß die Entnahme der Proben an den Positionen erfolgt, an denen eine Gefährdung vorliegt.

14. Prüfung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens

• - eine Probe in der Mitte des Spurkranzquerschnittes,
• - eine Probe in der Höhe der Stempelung und
• - eine Probe in der Mitte des Radreifens an dessen Innendurchmesser

entnommen wird.

15. Prüfung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mitte des Spurkranzquerschnittes jeweils eine Probe zur Kerbschlagbiegeprüfung und eine Zugprobe entnommen wird.