DE2414474A1

DE2414474A1 - Vibrator zur schwingungserzeugung bei der spanlosen formung von werkstuecken

Info

Publication number: DE2414474A1
Application number: DE2414474A
Authority: DE
Inventors: David Colin Biddell; Graham Robert Dawson; Dennis Hugh Sansome
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1973-03-26
Filing date: 1974-03-26
Publication date: 1974-10-10
Also published as: DE2414474C2; US3910085A; GB1470053A

Description

PATBJiTASWAtT

Dipl. ing. R. HÖLZER

AÜGSBÜKC

PHIIiIPFIIIE-WELSER-SCCRASSJS 14

TBLBlOHf S1873

24U474

N. 228

Augsburg, den 25. März 1974

National Research Development Corporation, Kingsgate House, 66-74 Victoria Street, London S.W.l, England

Vibrator zur Schwingungserzeugung bei der spanlosen Formung

von Werkstücken

Die Erfindung betrifft einen Vibrator zur Schwingungserzeugung bei der spanlosen Formung von Werkstücken, mit einem Ringkörper, der an seinem radial äußeren Umfang mit Mitteln zur Aufnahme von Schwingungserzeugern versehen ist.

- 1 409841/0936

% 24U474

Ein solcher Vibrator findet insbesondere beim Herstellen achssymmetrischer Formen, wie beispielsweise Becher aus Metallrohlingen, wobei die Rohlinge mittels eines Stempels durch oder in eine Matrize gezogen werden, oder bei der Herstellung von rohr- oder stabförmigen Erzeugnissen durch Ziehen durch ein Ziehwerkzeug hindurch Anwendung,

Es ist bereits vorgeschlagen worden, zur Erleichterung solcher Formgebungsverfahren während des Ziehvorgangs die Wandungen des Ziehwerkzeugs in radialer Richtung, d,h, senkrecht zur Ziehachse, in Schwingungen zu versetzen. Wenn beispielsweise, wie eben beschrieben, Becher hergestellt werden, so ergeben sich als Vorteile der Anwendung solcher Schwingungen eine im Verhältnis zum jeweiligen Durchmesser größere mögliche Ziehlänge als ohne solche Radialschwingungen, eine Verminderung oder ein völliges Wegfallen des Ratterns, die Möglichkeit der Verwendung dünnflüssigerer Schmiermittel und eine Verminderung der Ziehkräfte. Beim Ziehen von Stangen oder Rohren leisten die Schwingungen Verformungsarbeit am Werkstück, die sich zu der durch die normalen Ziehkräfte verursachten Verformungsarbeit hinzuaddiert.

Die Wandungen des Ziehwerkzeugs können in Schwingungen versetzt werden, indem das Ziehwerkzeug als Teil eines

- 2 409841/0936

3 241U74

Vibrators ausgebildet ist. Beispielsweise kann auch das Ziehwerkzeug an einem Vibrator befestigt sein, der so ausgebildet ist und so erregt wird, daß die Ziehwerkζeug-Vibrator-Anordnung in Resonanzschwinungen versetzt wird, so daß die wirksamen Ziehflächen des Ziehwerkzeugs in radialer Richtung schwingen. Zur Erzeugung derartiger Schwingungen bisher vorgeschlagene Vibratoren weisen etwa die Form einer kreisrunden Scheibe gleichmäßiger axialer Dicke auf, die in der Mitte eine Bohrung zur Aufnahme des Ziehwerkzeugs und am Außenumfang Mittel zur Aufnahme von Schwingungserzeugern, beispielsweise magnetostriktiven Schwingern, aufweist« Der Verwendung derartiger Vibratoren sind jedoch Grenzen gesetzt, insbesondere hinsichtlich der Größe und Leistungsaufnahme, Es hat sich herausgestellt, daß der Mindestradius der Vibratorscheibe, der zur Erzeugung von Resonanzschwingungen der Ziehwerkzeug-Vibrator-Anordnung erforderlich ist, in vielen Fällen zu groß ist. Es hat sich außerdem gezeigt, daß viele bekannte Vibratoren der eben beschriebenen Art einen schlechten Wirkungsgrad haben, da, obwohl die Schwingungserzeuger in denjenigen Bereichen (d,h. am Umfang) des Vibrators, an denen sie befestigt sind, Schwingungen beträchtlicher Amplitude erzeugen, die an den Ziehflächen herbeigeführten Schwingungen viel kleiner sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vibrator der eingangs dargelegten allgemeinen Art kompakter und

- 3 409841/093b

H 24H474.

leistungsfähiger als die beschriebenen bekannten Vorrichtungen auszubilden

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe ist ein solcher Vibrator gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper an seinem radial äußeren Umfang eine größere axiale Ausdehnung als an seinem radial inneren Umfang aufweist.

Die Erfindung umfaßt auch Verfahren zur spanlosen Formung unter Verwendung eines solchen Vibrators,

Einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise beschrieben* Es zeigen:

Fig, 1 einen schematischen Axialschnitt eines

Vibrators einer Gattung, auf welche sich die Erfindung bezieht,

die Fig, 2 bis 8 verschiedene Ausführungsformen eines

Vibrators nach der Erfindung, jeweils schematisch im Axialschnitt, und

die Fig, 9 bis 18 jeweils Kennlinien der in den Fig.

bis 8 dargestellten Vibratoren.

- 4 409841/0936

S 241U74

Fig. 1 zeigt einen bekannten Vibrator mit einer flachen Scheibe 1, an deren äußerem Umfang 3 mit gleichen Winkelabständen magnetostriktive Schwinger 2 befestigt sind. In einer Bohrung der Scheibe 1 ist ein ringförmiges Ziehwerkzeug 4 mit Festsitz angeordnet, welches eine mittige Ziehöffnung 5 mit dem Radius r von der Ziehachse 6 besitzt. Die Scheibe weist eine gleichmäßige axiale Dicke d auf. Diese Dicke d ist auch an der Ziehfläche 7 des Ziehwerkzeugs 4 vorhanden. Zu Vergleichszwecken sind alle in den Fig. 2 bis dargestellten Vibratoren nach der Erfindung mit der gleichen axialen Dicke d an ihrem radial inneren Umfang dargestellt. Während das Ziehwerkzeug 4" und die Scheibe 1 in Fig. 1 als gesonderte, aber aneinander befestigte Einheiten dargestellt sind, ist bei den in den Fig, 2 bis 8 dargestellten Ausführungsformen der Erfindung keine derartige Trennung vorgesehen. Der Grund liegt darin, daß die das Ziehwerkzeug und den Vibrator enthaltende Anordnung als eine Einheit schwingen muß und daß die Fig, 2 bis 8 nicht maßstäblich sind und nur allgemein einige der im Rahmen der Erfindung möglichen Formen zeigen. Das Vorhandensein eines gesonderten Ziehwerkzeugs in der Mitte jeder dieser Ausführungsformen gemäß den Fig. 2 bis 8 würde die grundsätzliche Form nicht wesentlich beeinflussen, vorausgesetzt, daß die radiale Resonanz aufrechterhalten bleibt. Wie schon gesagt, sind die Fig, 2 bis 8 nicht maßstäblich, sondern zeigen jeweils

- 5 4 0 9 8 4 1 /0 9 3 B

• 6 241U74

nur die grundsätzliche Form einer einseitig konischen Anordnung, einer beidseitig konischen Anordnung, einer einseitig exponentiell gewölbten Anordnung, einer beidseitig exponentiell gewölbten Anordnung, einer kombinierten Anordnung, einer geschlitzten konischen Anordnung und einer abgestuften Anordnung, Wie bereits erwähnt, weist jede Ausführungsform an ihrem radial inneren Umfang die gleiche axiale Dicke d wie die in Pig, I dargestellte Scheibe auf und es sei angenommen, daß jede dieser Ausführungsformen ebenso wie der Vibrator gemäß Pig, 1 durch mit Winkelabständen an ihrem Außenumfang angeordnete Schwingungserzeuger in Schwingungen versetzt wird.

Die in Fig. 9 dargestellten Kennlinien Gl, G3 und G5 bis g8 beziehen sich jeweils auf die in der Zeichnungsfigur mit gleicher Ordnungszahl dargestellte Vibrator-Ausführungsform, Die Kennlinien beziehen sich jeweils auf einen Vibrator, dessen Innenradius r etwa 12,5 mm und dessen innere Dicke d etwa 25 mm beträgt und an dessen Umfang in der in Fig, 1 angedeuteten Weise magnetostriktive Schwinger angeordnet sind, die jeweils mit einer Frequenz von 13 kHz schwingen. Für jede Ausführungsform ergibt sich ein minimaler Außendurchmesser, bei welchem Resonanz, d,h_t derjenige Zustand auftritt, bei welchem die gesamte Anordnung in radialer Richtung schwingt und bei welchem am

- 6 4098^1/0936

24UA7A

Umfang erzeugte Schwingungen konstanter Frequenz und Amplitude an der Innenfläche Schwingungen der gleichen Frequenz und gleicher Phasenlage, jedoch .unterschiedlicher Amplitude hervorrufen. Auf der y-Achse sind Amplitudeneinheiten und auf der x-Achse ist der radiale Abstand zwischen der Ziehachse 6 und dem Außenumfang der Anordnung aufgetragen» Der größte x-Wert jeder Kennlinie gibt den minimalen Außenradius des Vibrators an, bei welchem Resonanz auftritt. Dieser kleinste Radius kann durch bekannte Gleichungen ermittelt werden. Zu Vergleichszwecken sind die Kennlinien jeweils für eine Anordnung gezeichnet, bei welcher die radial innere Wandung 7 radial mit einer Amplitude von einer Einheit, beispielsweise 0,025 mm, schwingt.

Zur Kennzeichnung des Verhältnisses zwischen der Amplitude an der radial inneren Wandung 7 und der Amplitude am Außenumfang wird nachfolgend der Ausdruck "Verstärkungsfaktor" verwendet»

Eine Auswertung der Kennlinien ergibt, daß der durch die Kennlinie Gl charakterisierte flache Ring den größten Minimalradius (etwa 4,6 Längeneinheiten, wobei jede Längeneinheit etwa 25 mm entspricht) zur Erzeugung von Resonanz erfordert, und daß der Außenumfang dieser Scheibe mit der mit Abstand größten Amplitude (etwas mehr als zwei Amplitudeneinheiten)

409841/093*

t 241U7Ä

in Schwingung versetzt werden muß, damit an der Innenfläche Schwingungen mit einer Amplitude von einer Amplitudeneinheit entstehen. Im Gegensatz dazu zeigt die Kennlinie G7, die der Ausführungsform gemäß Pig, 7 zugeordnet ist, daß bei einem Verjüngungswinkel von 20° und einem Radius von etwa 62,5 mm bis zu den inneren Enden 8 der Schlitze 9 bei einem Außenradius von etwas mehr als 3 Längeneinheiten (entspricht etwa 75 nun) Resonanz auftritt und daß zur Erzeugung von Schwingungen mit einer Amplitudeneinheit am Innenumfang nur Schwingungen mit etwa 1,65 Amplitudeneinheiten am Außenumfang erforderlich sind. Die Kennlinie G8 zeigt, daß der abgestufte Ring gemäß Fig, 8 mit den Abmessungen s = 50 mm und t = 75 mm bei einem Außenradius von etwa 3,75 Längeneinheiten (entspricht etwa 94 mm) in Resonanz schwingt, wobei aber zur Erzeugung von Schwingungen mit einer Ampitudeneinheit an der Innenwandung 7 am Umfang nur Schwingungen mit etwas mehr als 1,4 Amplitudeneinheiten angelegt werden müssen.

Die Fig. 10 bis 14 beziehen sich auf die gleichen Parameter wie Fig. 9 und ermöglichen einen genaueren Vergleich zwischen der Leistungsfähigkeit einer als flache Scheibe ausgebildeten Vibratoranordnung in Fig. 10 bis 14 (jeweils durch die Kurve A gekennzeichnet) und den in Fig, 9 durch die Kennlinien G3, G5, G6, G7 und G8 charakterisierten erfindungsgemäßen Ausführungsformen in Fig. 10 bis 14 (jeweils durch die Kurve(n) B gekennzeichnet. In Fig, 10 wird der

3 2AU47A

flache Ring mit drei konischen Ausführungsformen mit verschiedenen Konizitäten verglichene Je größer der Verjüngungswinkel, desto kleiner ist der für Resonanz erforderliche Außenradius und desto größer ist der Verstärkungsfaktor» Figo 11 vergleicht eine flache Konstruktion mit zwei Ausführungsformen nach der Erfindung, deren Stirnflächen nach einem Exponentialgesetz gekrümmt sind. Die obere der beiden mit B gekennzeichneten Kurven bezieht sich auf einen Ringkörper, der an seinem Umfang dicker ist als derjenige, auf welchen sich die untere der beiden mit B bezeichneten Kurven bezieht. Der dickere Ringkörper besitzt den größeren Verstärkungsfaktor und schwingt bei kleinerem Außenradius in Resonanz, Pig, 12 zeigt, daß bei der kombinierten Ausführungsform gemäß Fig. 6 sowohl der Außenradius als auch der Leistungsverlust mit kleiner werdendem Radius (Abmessung u in Fig. 6) des Bereiches mit parallelen Stirnflächen vermindert werden können, Fig, 13 zeigt, daß der Außenradius bei der geschlitzten konischen Anordnung gemäß Fig. 7 kleiner wird j wenn der "gemeinsame Radius" (Abmessung ν in Fig. 7) kleiner ist, Fig. 14 bringt zum Ausdruck, daß mit der abgestuften Anordnung nach Fig. 8 die Verluste mit kleiner werdender Abmessung s abnehmen. Die besonders flache Form der Kurve W in Fig. 14, die eine gleiche Amplitude der radialen Schwingung über einen beträchtlichen radialen Bereich des Vibrators angibt, ist bemerkenswert.

40 24H474

Der Hauptvorteil der radialen Schlitze 9 der Ausführungsform nach Fig. 7 liegt darin, daß diese Schlitze die Bildung von in Umfangsrichtun wirkenden Spannungen in der Vorrichtung und die daraus folgenden Ringresonanzen verhindern, welch letztere dazu neigen, die zu erzeugenden radialen Resonanzen auszulöschen. Die Vorteile des besonders großen Verstärkungsfaktors der abgestuften Ausführungsform (Pig, 8) und der Vorteil dieser und der kombinierten Anordnung nach Fig. 6, daß flache Mittelbereiche vorhanden sind, die leicht an andere ebene Flächen angesetzt werden können, müssen gegen die hohen Spannungen abgewogen werden, die bei derartigen Ausführungsformen an den Absätzen auftreten und diese Ausführungsformeη gegen Ermüdungsbrüche an diesen Stellen anfällig machen,

Fig. 15 ist in mit Bezug auf die Fig. 9 bis '14 anderem Maßstab gezeichnet und vergleicht die Charakteristik der durch die Kennlinien Gl und G7 in Fig. 9 gekennzeichneten Ausführungsformen innerhalb eines größeren Radienbereiches, Die Punkte 10 und 11 entsprechen den größten x-VTerten der Kurven Gl und G7, Damit den ringförmigen Anordnungen der zu betrachtenden Art Resonanz auftritt, ist es bekanntermaßen erforderlich, daß an den Peripherien Spannungsknoten auftreten müssen. In Fig, 15 zeigen die Punkte 12 und 13 diejenigen Radien an, bei welchen die nächsten Spannungsknoten auftreten. Der Durchgang der Kennlinien durch die

- 10 4 0 98^1/0936

241U74

x-Achse zeigt an, daß die Schwingungen an den nachfolgenden Radien gegenphasig zu den Schwingungen im Zentrum sind. Der Radius der geschlitzten Ausführungsform am Punkt 13 ist dieses Mal geringfügig kleiner als der Radius der als flache Scheibe ausgebildeten. Anordnung, aber die am Außenumfang der geschlitzten Anordnung erforderliche Schwingungsamplitude beträgt nur wenig mehr als die Hälfte der bei der scheibenförmigen Anordnung notwendigen Schwingung zur Erzeugung von Schwingungen mit einer Amplitudeneinheit im Zentrum, Tatsächlich beträgt die Amplitude am Umfang der geschlitzten Anordnung nur etwa 0,6 Amplitudeneinheiten und ist somit selbstverständlich kleiner als die Amplitude im Zentrum,

Die Fig. 16, IJ und 18 sind in gleichem Maßstab wie Pig, 15 gezeichnet und zeigen das Ergebnis einer Vergrößerung der Abmessung r auf etwa 50 mm für durch die Kennlinien G7, G8 und G6 in Pig, 9 gekennzeichnete Ausführungsformen« Der einzige brauchbare-Außenradius, auf welchem Schwingungserzeuger zwecks Erzielung von Resonanz angeordnet werden können, liegt nunmehr auf einem Punkt der Kurve unterhalb der x-Achse, beispielsweise beim Punkt 12 und 13 in Pig, 15· Dies führt zu Vibratoranordnungen großen Durchmessers, hat aber den Vorteil, daß am Umfang nur Schwingungen kleiner Amplitude erzeugt werden müssen, Ins-

- "11 409841/0936

24U47A

besondere ist zu bemerken, daß am Umfang einer kombinierten Ausführungsform (entsprechend der Kennlinie G6) nach Fig. mit einem Außenradius von etwa 11,5 Längeneinheiten (285 mm) Schwingungen mit einer Amplitude von nur 0,2 Amplitudeneinheiten erregt werden müssen.

Selbstverständlich sind zur Erzeugung der Schwingungen Alternativen zu den magnetostriktiven Schwingern möglich. Es können beispielsweise einzelne piezokeramische Kristalle, die insbesondere für die Ausfuhrungsform nach Pig, 7 geeignet sind, ferner in Umfangsrichtung ununterbrochene piezokeramische Kristalle, die für alle Ausführungsformen mit Ausnahme der geschlitzten Ausführungsform geeignet sind und im Gegensatz zu den magnetostriktiven Schwingern möglicherweise auf innerhalb des Außenumfangs gelegenen Radien montiert werden können, und magnetostriktive Wandler der "window-stack^l!-Bauart Anwendung finden. Die größere axiale Dicke aller erfindungsgemäßen Ausführungsformen am Außenumfang in Vergleich zum Innenumfang erleichtert naturgemäß die Anbringung von mehr Schwingungserzeugern am Außenumfang, als es möglich wäre, wenn die axiale Dicke am Außenumfang nicht größer als innen wäre. Beispielsweise können die Schwingungserzeuger, wie in Fig. 2 angedeutet ist, infolge der größeren axialen Dicke am Außenumfang zweireihig angeordnet sein.

- 12 409841/0936

Claims

24U474

Patentansprüche

ί !,!Vibrator zur Schwingungserzeugung bei der spanlosen Formung von Werkstücken, mit einem Ringkörper, der an seinem radial äußeren Umfang mit Mitteln zur Aufnahme von Schwingungserzeugern versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (1) an seinem radial äußeren Umfang eine größere axiale Ausdehnung als an seinem radial inneren Umfang aufweist.

2» Vibrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Dicke des Ringkörpers (1) von seinem radial inneren Umfang zu seinem radial äußeren Umfang kontinuierlich zunimmt (Pig. 2 bis 5)β

3, Vibrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Dicke des Ringkörpers (1) von seinem radial inneren Umfang zum radial äußeren Umfang stufenweise zunimmt (Fig. 6 und 8).

4, Vibrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (1) mit Radialschlitzen (9) versehen ist, die in gleichen Winkelabständen angeordnet sind und sich

- 13 4Ό9841/0936

vom Außenumfang bis kurz vor den Innenumfang erstrecken,

5β Anwendung eines Vibrators nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur spanlosen Formung von Werkstücken in Verbindung mit Zieh-, Tiefzieh- oder Strangziehwerkzeugen.

84 1/0936
- 14 -

is

Leerseite