-
Vorrichtung zum isothermen Schmieden von Hochtemperatur-
-
legierungen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum isothermen
Schmieden von Hochtemperaturlegierungen, bei welcher ein Gesenkunterteil und ein
Gesenkoberteil sowie ein Auswerfer, eine Heizeinrichtung und eine ein Schutzgas
enthaltende Schutzhülle zur Vermeidung der Oxydatidn des Werkstücks vorgesehen sind.
-
Vorrichtungen zum isothermen Schmieden dienen zur verhältnismässig
langsamen plastischen Verformung von Werkstoffen, insbesondere Hochtemperaturlegierungen,
im Temperaturbereich der Superplastizität. Dabei sind eine möglichst gleichmässige
Erwärmung des Werkstffcks und die Konstanthaltung der Temperatur
über
die ganze Zeitdauer des Verformungsvorgangs unerlässliche Anforderungen an das Werkzeug
wie an die Führung des Prozesses. -Es sind schon eine Anzahl solcher Vorrichtungen
bekannt (z.B. US-Pat. 3 698 219; T. Watmough, Development of isothermal forging
of titanium centrifugal-compressor impeller", AMMRC Report CTR 73-19, IIT Research
Institute Chicaco, May 1973; D.J.Abson, F.J.Gurney, "Heated dies for forging and
friction studies on a modified hydraulic forge press", Metals and Materials, Dezember
1973). Die Verwirklichung solcher Pressvorrichtungen stösst auf erhebliche konstruktive
Schwierigkeiten, da eine möglichst vollkommene Wärmedämmung für Werkstück und Werkzeug
erzielt werden muss, gleichzeitig die Bauelemente bei hohen Temperaturen grossen
Druckkräften, während des Auswerfvorgangs teilweise auch beträchtlichen Zugbeanspruchungen,
ausgesetzt sind und erhebliche Heizleistungen auf kleinem Volumen konzentriert werden
müssen. Zudem verlangt die hohe Affinität der meisten zu vei>formenden Werkstoffe
zum Sauerstoff bei verhältnismässig lang andauerndem Pressvorgang praktisch immer
ein Arbeiten in Schutzgasatmosphäre.
-
Die bekannten Vorrichtungen zum isothermen Schmieden werden den vorgenannten
Bedingungen nur in mangelhafter Weise und nur zum Teil gerecht. Entweder weisen
sie einen hohen Wärmeabfluss auf, der die isotherme Prozessführung erschwert, oder
sie
sind nicht für die Anwendung von Schutzgas eingerichtet, oder sie eignen sich nicht
für das Schmieden komplizierter dreidimensionaler Werkstücke, speziell für Endformen
mit tiefen Rippen, oder sie weisen keinen Auswerfermechanismus auf und erlauben
keine grossen Zugkräfte an den Werkzeugen. Andere bekannte Ausführungen weisen komplizierte,
störungsanfällige und die mechanische Beanspruchungsmöglichkeit der verwendeten
Materialien einschränkende Bauelemente auf und eignen sich weniger gut für industrielle
Massenproduktion.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schmiedevorrichtung
anzugeben, die bei geringstem Heizleistungsaufwand beliebig grosse und komplizierte
Werkstücke aus beliebigen Werkstoffen, insbesondere Hochtemperaturlegierungen bei
Temperaturen bis 1000 0C und darüber isotherm zu verformen gestattet.
-
Die Vorrichtung soll einfach in ihrem konstruktiven Aufbau und handlich
und wirtschaftlich im Betrieb sein.
-
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass in der Vorrichtung
der eingangs definierten Art je ein Gesenkunterteil und je ein Gesenkoberteil über
einen aus einem wärmeisolierenden und einem metallischen Teil gebildet an Gesenkträger
an einer planparallelen Kühlplatte befestigt ist, dass der zentrale Teil der einen
Gesenkhälfte als Auswerfer zum Ausstossen des geformten Werkstücks ausgebildet ist,
dass als Schutzhülle
gegen Oxydation zwei konzentrische, sich überlappende
Quarzrohre und als Heizeinrichtung eine Induktionsheizwicklung vorgesehen sind.
-
Die sehr komplexen und zum Teil sich widersprechenden Anforderungen,
die an eine Vorrichtung zum isothermen Schmieden gestellt werden, lassen sich im
allgemeinen nur durch Anwendung von Verbundwerkstoffen bzw. Verbundkonstruktionen
erfüllen. Dabei handelt es sich darum, mechanisch beanspruchte Bauelemente mit solchen,
die der Wärmedämmung dienen, in geeigneter Weise zu verbinden. Dies kann grundsätzlich
auf zwei Arten erfolgen, je nachdem, ob der tragende metallische Teil des Gesenkträgers
bezüglich des wärmeisolierenden Teils in Kraftangriffsrichtung hintereinander oder
parallel geschaltet ist.
-
Im folgenden werden anhand der beiliegenden Zeichnungen Ausführungsbeispiele
für die vorgenannten beiden Arten der Erfindung näher beschrieben.
-
Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt und Fig. 2 einen Schnitt I-I
einer ersten Variante mit Säulen und
Fig. 3 einen Schnitt I-I einer
zweiten Variante mit hohlzylindrischem Ringkörper als Gesenkträger der Schmiedevorrichtung,
Fig. 4 einen Längsschnitt einer Ausführung der Schmiedevorrichtung gemäss Fig. 2
oder Fig. 3, jedoch unter Zwischenschaltung einer wärmeisolierenden Platte, Fig.
5 einen Längsschnitt einer Ausführung der Schmiedevorrichtung gemäss Fig. 4, jedoch
mit ringförmiger Nut im Gesenk, Fig. 6 einen Längsschnitt einer Ausführung ähnlich
Fig. 3, jedoch ohne Schraubern, dafür mit schwalbenschwanzförmigen Absetzungen des
tragenden Ringkörpers, Fig. 7 einen Längsschnitt einer Ausführung ähnlich Fig. 3,
jedoch mit nicht durchgehenden Befestigungsschrauben des tragenden Ringkörpers,
dafür mit Bajonettverschluss des Gesenks, Fig, 8 einen Längsschnitt III-III und
-Fig. 9 einen Schnitt II-II einer Ausführung der Schmiedevorrichtung gemäss Fig.
7, jedoch unter Zwischenschaltung eines Niederhaltungsrings mit Bajonettverschluss
zwischen Gesenk- und tragendem Ringkörper,
Fig. 10 einen Längsschnitt
durch eine zweite Ausführungsart mit wärmeisolierendem Keramikscheíben-Block und
glockenförmigem Gesenk der Schmiedevorrichtung, Fig. 11 einen Längsschnitt und Fig.
12 einen Schnitt IV-IV einer weiteren Variante der zweiten Ausführungsart der Schmiedevorrichtung
unter Verwendung eines geteilten Niederhaltungsrings.
-
In Fig. 1 ist der Längsschnitt und in Fig. 2 der Querschnitt längs
I-I einer ersten Ausführungsart der Schmiedevorrichtung dargestellt, wobei der metallische
und der wärmeisolierende Teil des Gesenkträgers in Kraftangriffsrichtung hintereinander
geschaltet sind. 1 bezeichnet das aus einer geeigneten Legierung bestehende, im
superplastischen Bereich zu verformende Werkstück. Gesenkunterteil 2 und Gesenkoberteil
3 sind je über aus Verbundwerkstoffen bestehende Säulen, die einen wärmeisolierenden
Teil 5a und einen metallischen Teil 6a besitzen, mittels Schrauben 7 an den KUhlplatten&,Sbefestigt.
Die wärmeisolierenden Teile 5a bestehen vorzugsweise aus A12O3> ZrO2, Oho2, MgO;
während für die metallischen Teile 6a Legierungen des Typs TZM, Ni-, Co-Legierungen
und/oder rostfreier Ni-Cr-Stahl vorgesehen sind. Der zentrale obere Teil des Gesenks
ist gleichzeitig als Auswerfer 4 ausgebildet. Die Kühlplatten 8a,8b sind ihrerseits
mittels Schrauben 9 am Plsesstisch 10 bzw. Pressstempel
11 einer
hydraulischen oder andersartigen geeigneten Presse befestigt. Der gesamte, von Werkstück
und Werkzeug eingenommene, unter hoher Temperatur.sitehende Raum ist durch zwei
konzentrische, sich überlappendb Quarzrohre 12 bzw. 13 von der Umgebung abgeschirmt.
In diesen Baum wird zur Vermeidung der Oxydation von Werkstück und Werkzeug ein
Schutzgas 14 eingeleitet (in Figur 1 nicht speziell gezeichnet).
-
Das Ganze umschlingt eine im Bereich der aufzuheizenden Teile vorgesehene
Induktionsheizwicklung 15, die wahlweise (in Figur 1 nicht gezeichnet) auch innerhalb
der Quarzrohre 12 und 13 angeordnet sein kann. Die Kühlplatten8a'&können wassergekühlt
oder luftgekühlt sein oder haben lediglich die Aufgabe von Befestigungsplatten,
über die ein Teil der Wärme zu den benachbarten Metallteilen abfliesst. Die praktische
Ausbildung hängt vom zu bewältigenden Temperaturgefälle und dem dadurch bedingten
Wärmefluss ab.
-
Fig. 3 stellt den Schnitt I-I einer Variante mit demselben Längsschnitt
gemäss Fig. 1 dar. Statt der Säulen 5a/6a ist hier ein boh)zylindrischer Ringkörper
5b/6b vorgesehen. Diese Ausführungsform kommt vor allem für höhere axiale Beanspruchungen,
vor allem für höhere Pressdrücke und Gesenke grösseren Durchmessers in frage, da
den Dimensionen des Ringkörpers 5bS 6b keine Grenzen gesetzt sind. Statt des Hohlzylinders
kann also auch ein Vollzylinder Verwendung finden.
-
Fig. 4 zeigt eine weitere Variante der Ausführung gemäss Fig. 1. Hierbei
kann das das Gesenkunterteil 2 bzw. das Gesenkoberteil 3 tragende Bauelement sowohl
nach Fig. 2 als Säule 5a/6a wie auch als Ringkörper 5bS6b ausgebildet sein.
-
Zusätzlich ist jedoch hier je eine durchgehende wärmeisolierende Platte
16 vorgesehen, die den eigentlichen, hohen Temperaturen ausgesetzten Arbeitsraum
von den übrigen tragenden Bauelementen trennt. Aufgabe dieser wärmeisolierenden
Platte ist es, den in axialer Richtung durch Konfektion und Strahlung verursachten
Wärmefluss weiter einzudämmen und hohe Temperaturen von den den Werkzeugen benachbarten
Bauteilen fernzuhalten. Dadurch ist man in der Wahl des Materials für diese Bauteile
weniger eingeengt und die Vorrichtung kann billiger ausgeführt werden. Um vor allem
den durch Strahlung übertragenen Anteil der Wärmeübertragung zu verringen, werden
die dem Werkstück zugewandte Seite der Platte 16 und/oder die Innenseite der Quarfirohre
12 und 13 in vorteilhafter Weise mit einer reflektierenden Schicht verstehen, wobei
letztere aus einem Anstrich, der die Oxyde MgO oder TiO2 enthält, oder aus einer
Metallfolie (in Figur 4 nicht speziell gezeichnet) aus Cr oder Cr-Ni-Stahl besteht.
-
In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, in welchem der
Wärmedämmung ganz besondere Beachtung geschenkt wurde.
-
Hierbei steht das einer hohen Temperatur ausgesetzte Werkzeug
nicht
mehr in metallischem Kontakt mit den übrigen metallischen Bauteilen. Durch diese
vollständige Isolierung wird auch der durch Leitung verursachte Anteil des axialen
Wärmeflusses wirksam herabgesetzt. Zur Lösung dieser Aufgabe sind hier die Schrauben
7 der vorangehenden Figuren 1 bis 4 durch die mittels Vierkantkopf 18 in eine ringförmige
Nut 20 im Gesenkunterteil 2 bzw. Gesenkoberteil 3 eingreifenden durchgehenden Schrauben
17 ersetzt. Der Kopf 18 dieser Schrauben 17 trägt eine wärmeisolierende Umhüllung
£9 aus hochfestem oxydkeramischen Material, vorzugsweise A1>03. Der Kopf 18 braucht
nicht unbedingt als Vierkant ausgeführt zu sein sondern kann auch zylindrisch sein
oder eine andere geeignete, in die Nut 20 passende Form haben. Die Schrauben 17
werden durch Muttern 21 in der Kühlplatte 8 festgehalten.
-
Fig. 6 zeigt eine andere Ausführungsform der vollständigen Isolierung
des Gesenkunterteils 2 von den übrigen Metallteilen der Vorrichtung. Analog hat
man sich Gesenkoberteil 3 vorzustellen. Hierbei ist der Ringkörper sowohl in seinem
wärmeisolierenden Teil 5b wie in seinem metallischen Teil 6b zur Aufnahme der geteilten
Platte 16 im Durchmesser abgesetzt und weist zur Uebertragung von Zugkräften schwalbenschwanzförmige
Eindrehungen auf. Diese Konstruktion eignet sich vorzugsweise für einfachere und
flachere Werkzeugformen, wo beim Ausstossen des fertig geformten Werkstückes keine
hohen Zugbeanspruchungen
zu erwarten sind.
-
In Fig. 7 ist demgegenüber ein Ausführungsbeispiel im Längsschnitt
dargestellt, das hohen Anforderungen an die Kompliziertheit des zu verformenden
Werkstücks und grossen Zugbeanspruchungen beim Auswerfen gerechtwrd. Der metallische
Teil 6b des Ringkörpers ist in seinerr dem Gesenkunterteil 2 (analog Gesenkoberteil
3) zugewandten Tei2 als gezahnter Flansch ausgebildet, der vom isolierenden Teil
5b vollständig umhüllt wird. Das Gesenkunterteil 2 weist auf seiner dem Werkstück
1 abgewandten Seite seinerseits eine verzahnte Nut auf, die in die Zahnlücken von
5b eingreift. Auf diese Art wird ein Bajonettverschluss 22 gebildet, der das Werkzeug
sowohl in axialer wie in radialer Richtung fixiert. Im hier nicht gezeichneten Querschnitt
ergibt sich ein der Figur 9 analoges Bild.
-
Fig. 8 zeigt den Längsschnitt III und Fig. 9 den Schnitt II-II einer
weiteren Variante der vorgenannten Ausführung, die insbesondere für s.chwere Gesenke
grossen Durchmessers geeignet ist. Hierbei übernimmt der auf der konischen Begrenzungsfläche
aufliegende und mit einem Bajonettverschluss 22 versehene Niederhaltungsring 23
die Befestigung des Gesenkunterteils 2 auf dem Ringkörper 5b/6b. Das Gesenkunterteil
2 selbst und analog das Gesenkoberteil 3 kann dadurch eine einfachere Form
erhalten.
Des weiteren kann Material gespart werden, indem für mehrere auswechselbare Gesenkunterteile
2 bzw, Gesenkoberteile 3 nur immer je ein Niederhaltungsring 25 vorgesehen werden
muss und im Schadensfall-nur immer das unbrauchbare Teil zu ersetzen ist. Ausserdem
ist man in der Wahl geeignester, für die unterschiedlichen Aufgaben von Gesenk 2
bzw.
-
3 und Niederhaltungsring 23 optimalen Materialien unabhängiger.
-
In Fig 10 ist der Längsschnitt für ein Ausführungsbeispiel der vorerwähnten
zweiten Art der Schmiedevorrichtung, wobei der metallische und der wärmeisolierende
Teil des Gesenkträgers in Kraftangriffsrichtung parallel geschaltet sind, dargestellt.
Soweit es sich um die gleichen Bauelemente handelt, entsprechen die Bezugszeichen
denjenigen der Fig. 1.
-
Das Werkzeug besteht im vorliegenden Falle aus zwei glockenförmig
ausgebildeten Gesenkhälften vorzugsweise aus TZM, Ni-oder Co-Legierung. Das Gesenkunterteil
24 besteht aus einem Stück während in diesem Beispiel das Gesenkoberteil 25a/25b
zweiteilig ausgeführt ist. &elbstverständlich kann auch das Gesenkoberteil analog
Fig. 1 einteilig sein. Die glockenförmigen, zylindrischen Fortsätze der Gesenkhälften
weisen je ein Aussengewinde auf und sind mit je einem Befestigungsring 26 verschraubt,
der seinerseits wieder mittels Schrauben 27 an der Kühlplatte8a,bangeflarlscht ist,
Auf diese Weise ist das Gesenk zentriert und kann beträchtliche axiale Zugkräfte
aufnehmen.
Im Innern des glockenförmigen Teils des Gesenkunterteils 24 bzw. des Gesenkoberteils
25a befindet sich je ein wärmeisolierender Voll- bzw. Hohlkeramikscheiben-Block
28 bzw. 29, welcher zur Aufnahme der Presskräfte dient.
-
Die Keramikscheiben bestehen vorzugsweise aus mechanisch und thermisch
hochbelastbarem Stoff, wie A1203, ZrO2, ThO2> MgO. Um die Wärmeäbleitung nach
den Kühlpiatten8a'hin möglichst gering zu halten, kann der glockenförmige,zylindrische
Fortsatz des Gesenkunterteils 24 und des Gesenkoberteils 25a dünnwandig gehalten
werden. Die Wanddicke dieses Teils wird lediglich durch die Forderung nach Zentrierung
und Axialkraft beim Auswerfen bestimmt. Diese Ausführung eignet sich besonders für
schwere Gesenke komplizierter Form und grosser Abmessungen sowie für hohe spezifische
Pressdrücke und axiale Zugkräfte.
-
Fig. 11 zeigt den Längsschnitt und Fig. 12 den Querschnitt IV-IV für
ein weiteres Ausführungsbeispiel. Der aus den Keramikscheiben 28 gebildete Stützblock
wird durch eine zweiteilige wärmeisolierende Platte 16 horizontal unterteilt, so
dass der Hochtemperatur-Arbeitsraum vollständig abgeschlossen ist. Die Platte 16
trägt auf ihrer dem Werkstück zugewandten Seite analog zu Beschreibung unter Fig.
4 vorzugsweise eine reflektierende Schicht. Gesenkunterteil 2 bzw. Gesenkoberteil
3 und/oder die Kühlplatten8a,8bsind zur Zentrierung der Keramikscheibenblöcke
28
bzw. 29 in vorteilhafter Weise mit je einer Eindrehung versehen. Das Gesenkunterteil
2 (und in analoger Weise das Gesenkoberteil 3) wird mittels eines mehrteiligen,
radial gespaltenen Niederhaltungsrings 32 am Gesenkträger befestigt. Letzterer weist
einen metallischen, als Flanschrohr ausgebildeten Teil 30 auf, der seinerseits mittels
Schrauben 27 an der Kühlplatte 8a angeflanscht ist. Der wärmeisolierende Teil 31
umhüllt den werkzeugseitigen Flansch des Gesenkträgers vollständig und sorgt dafür,
dass keinerlei metallische Verbindung zwischen Hochtemperatur-Arbettsraurn und übrigen
tragenden Elementen der Vorrichtung vorhanden ist. Der mehrteilige, radial gespaltene
Niederhaltungsring 32 wird seinerseits durch einen einteiligen, ein L-Profil aufweisenden
Pressring 33 radial zusammengehalten und axial in einer zur Pressrichtung senkrecht
stehenden Ebene fixiert. Montage und Demontage dieses Befestigungsmechanismus erfolgt
in einfacher Weise unter Zuhilfenahme eines rohr- bzw. zangenförmigen Werkzeuges
auf der Presse selbst. Zur Erleichterung des Zusammenbaus können die Berührungsflächen
zwischen dem Niederhaltungsring 32 und dem Pressring 33 leicht konisch ausgeführt
werden.
-
Die Dimensionierung der Bauteile 2,16,28 30,3l,32,33 wird in vorteilhafter
Weise derart vorgenommen, dass nach dem Zus ammenbau das Gesenkunterteil 2 unter
Ausübung einer axialen Druckvorspannung auf der Stirnseite des wärmeisolierenden
Teils 31 des Gesenkträgers aufliegt. Es versteht sich von selbst, dass
die
selben Ueberlegungen für das Gesenkoberteil 3 gelten.
-
1 Durch die erfindungsgemässe Vorrichtung zum isothermen Schmieden
wird ein Instrument geschaffen, das allen Forderungen der industriellen Eraxis weitgehend
nachtomst. Durch eine besonders vorteilhafte Verbindung von einerseits wärmedämmenden
und andererseits mechanisch tragenden Bauelementen werden die Voraussetzungen für
möglichst weitgehende Konstanthaltung der Temperatur über das ganze Werkstück und
über die gesamte Verformungszeit auch im höchsten interessierten Bereich (bis über
1O000C) geschaffen. Die Vorrichtung eignet sich insbesondere für das isotherme Schmieden
von Titan- und Nickelbasis legierungen, kann jedoch auch für jeden anderen, superplas
tische Eigenschaften zeigenden Werkstoff verwendet werden.
-
Leerseite