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Die physikalischen Vorgänge bei der Einwirkung von
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Makroschall (Ultraschall großer Amplitude) auf die Kaltumformung von
Metallen sind seit mehreren Jahren bekannt. Eine wesentliche Voraussetzung für einen
ausgiebigen Effekt, nämlich für eine merkliche Herabsetzung der äußeren, zur Verformung
notwendigen Zug- oder Druckkräfte, ist die Aufbringung einer akustischen Spannung
des angewendeten Makroschallfeldes # = #o exp (i # t) # # worin #o die Spannung
bei der Zeit t - 0, # die Kreisfrequenz und # die in einer Gleitebene des beschallten
Metalles wirksame Schubspannung ist, die zur Aufrechterhaltung ausgiebiger Translation
(plastischer Verformung) erforderlich ist. Dabei ist dann # G # # # #'G worin L
die elastische I)ehnung und #' ' die Gesamtdehnung ( # 10-5) in einem Metall mit
dem Schubspannungsmodul G ist, die durch die akustische Spannung 0 des Makroschallfeldes
hervorgerufen wird. Infolge der Verminderung der äußeren Umformungskräfte vermindert
sich auch die äußere Reibung zwischen Ziehgut und Ziehwerkzeug (z.B. Ziehstein).
Außerdem tritt an sich schon durch die oszillierende Wirkung von Makroschall eine
Verminderung der äußeren Reibungskräfte ein. Es ist noch nicht ganz geklärt, welcher
der anteiligen Effekte den Gesamteffekt am maßgeblichsten beeinflußt, weil es schwierig
ist, diese ineinander verknüpften Vorgänge zu separieren.
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Um den günstigen Einfluß des Makroschalles voll auszunützen , und
eine hohe Standzeit des Ziehwerkzeuges zu erzielen, wurde beim Ziehvorgang eine
reichliche Schmiermittelzufuhr vorgesehen.
Dies bringt jedoch in
jenen Fällen Rachteile mit sich, bei denen die Eigeschaften des Produktes durch
des Schmiermittel beeinträchtigt werden. Nach den bisherigen Verfahren ist in solchen
Fällen ein gesonderter Arbeitsprozeß zur Entfernung der Schmiermittelreste notwendig.
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Das bringt Manipulationskosten, Kapitaldienst und insbesondere investiotzionskosten
für entsprechende Reinigungsoder/und Glühanlagen sowie Energiekosten mit sich, wie
auch allenfalls eine Aufbereitung der mitunter mit chemischen Abfallprodukten im
Hinblick auf den Umweltschutz notwendigen Maßnahmen, die ebenfalls Kosten verursachen.
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Die Erfindung bezweckt, diese Nachteil zu beseitigen Sie beruhrt auf
der Erkenntnis, daß bei Anwendung von Makroschall die Zugabe von Schmiermittel nicht
unbedingt erforderlich ist. Bei optimaler Ausnätzung der eingangs geschildenden
Wirkung des Makroschalles kann auch trocken gezogen werden.
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Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Ziehen von Drähten, Rohren und Stangen unter Einwirkung von Ultraschall großen
Amplitude (Makroschall) und ist dadurch gekennzeichnet, daß das Ziehgut trocken,
besonders frei von Schmiermittel, durch deb Ziehstein gezogen wird uns während des
Ziehvorganges Makroschallschwingungen auf den Ziehstein in der Achsrichtung des
Ziehgutes oder annähernd zur Achsrichtung übertragen werden.
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Von besonderer Bedeutung ist das Trockenziiehen unter Makroschalleinwikung
beispielsweise bei der Herstellung von röhrenförmigen Schweißdrähten, die aus einem
Band geformt werden und in ihrem Inneren ein Schweißflußmittel enthalten.
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Wird unter Schmittelzusatz gezogen, also ohne Einwirkung
von
Ultraschall, beeinträchtigt das in das Roh Rohrinnere zum Schweißflußmittel eindringende
Schmieermittel die Schweißeigenschaften des Produktes. stich in einem nachfolgenden
Glüverfahren können nicht alle Schmiermittelreste wiederum zur Gänze aus dem Inneren
herausgebracht werden und somit stellt die Schmiermittelzufuhr eine schte Qualitätsbeeinträchtigung
dar. Wird hingegen unter Ultraschalleinwirkung trocken gezogen, erheilt man die
volle ungestörte Güte, d.h. das Produkt, der mit Schweißflußmittel gefüllte röhrenförmige
Schweißdraht, ergibt optimale Schweißungen.
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Die großen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahren bestehen also
in der Einsparung von Kosten bei cler im Falle von Schmiermittelzufuhr notwendigen
Nachbehandlung des Produktes und in einer erheblichen Verbasserung der Quali-tcit
des Produktes.
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In der Zeichnung ist der Gegenstand tler Erfindung in einer beispielsweisen
Ausführungsform dargestellt. Sie zeigt das erfindungsgemäße Ultraschallsystem mit
dem Ziehstein im Längsschnitt. Dieses System ist Bestandteil einer üblichen Ziehvorrichtung,
welche mit IJltraschalleinwirkung arbeitet, wie eine solche in der OE-PS ... ...
(A 6865/76) beschrieben und dargestellt ist.
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Auf der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist ein Ultraschallsystem
mit einem Horn 4 und eienm Konverter 3 vorgesehen, wobei das Horn eine Längsbohrung
aufweist, durch die das Ziehgut 2 hindurchgeführt ist und der Konverter am hinteren
Teil des Horns angesetzt ist und am vorderen Teil des Horns ein ungeradzahliges
Vielfaches eines Viertels oder annähernd eines Viertels der Wellenlänge des Makroschalls
von der Konvertermitte entfernt, der Ziehstein
1 angeordnet ist.
Auf diese Weise befindet sich der Ziehstein am Ort eines Bewegungsbauches, so daß
die Makroschallwellen voll zur Wirkung kommen. Der Konverter 3 ist senkrecht zur
Ziehrichtung angeordnet, wodurch Platz eingespart wird. Das Horn 4 ist gesteilt
dargestellt, doch kann es auch aus einem Stück bestehen.
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Jedes der beiden Stücke 4a, 4b muß eine länge aufweisen, die gleich
einem ganzzahligen Vielfachen der halben Makroschallwellenlänge ist. Während in
einem Fall, insbesondere bei schwer verformbarem Ziehgut, diese zweistückige Ausführung
des Hornes von Vorteil ist, da der dem größeren Verschleiß unterliegenden Teil ausgeweschelt
werden kann, ist in den anderen Fällen eine Ausführung aus einem Stück vorzuziehen,
da die Herstellung des Hornes billiger und einfacher ist.
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Für die Übertragung des Ultraschalles vom Konverter zum Ziehstein
ergeben sich technische Vorteile, u.a. größere Bewegungsamplituden, wenn die Abmessungen
des Horns in zwei zueinander senkrechten Ebenen durch die Achse des Ziehgutes verschieden
groß sind.
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Die Halterung des Hornes bzw. des vorderen Hornstückes 4b erfolgt
vorteilhafterweise durch eine Flansch 4c. Die Dämpfung der Makroschallschwingungen
durch die Halterung ist am geringsten, wenn der Abstand des Flansches von der Mitte
des Konverters ein ganzzahliges Vielfaches der halben oder annähernd der halben
Wellenlänge des Makroschalles beträgt.
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Der Ziehstein 1, der auswechselbar ist, wird durch einen Verschlußring
8 gehalten, der abnehmbar ist. Er läßt einen ringförmigen freien Raum zwischen seiner
innenwand und dem vorderen Hornteil 4b. Dieser kann zu einer wirksamen
Kühlung
von Ziehstein und horn beniitzt werden. In diesem Fall wird Preßluft in diesen Raum
G durch Bohrungen 5a und 5b in den vorderen Hornteil 4b geleitet, die dann durch
Bohrungen 10 in die trichterförmige Ausnehmung 9 des Verschlußringes führt und aus
dieser Ausnehmung den vorübergehend aufgenommenen Abrieb, Staub oder Schmutz, ausbläst.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung betrifft den Öffnungswinkel
des Ziehsteines. Dieser Winkel soll zwischen 5° und 35° betragen. Die kleineren
Werte dieses Bereiches sind fiir die Verarbeitung von Werkstoffen mit höherer Festigkeit
geeignet, während die größeren Winkelwerte für \.erkstoffe mit kleineren Festigkeitswerten
vorzusehen 51 ncl Die Vorrichtung wirkt wie folgt: Im Ziehstein 1 wird der Draht
2 verformt, der von links nach rechts gezogen wird. Dabei fiilir't der Ziehstein
1 Ultraschallschwingungen in und gegen die Ziehrichtung aus. Itiese Schwingungen
rühren vom Konverter 3 her und werden in ihrer longitudinalen Ausbreitungsrichtung
im rechten Teil des Hornsystems 4a um 900 gedreht. Somit schwingt auch der zweite
Teil 4b des Hornsystems in und gegen die Richtung der Längsachse des Drahtes ?,
so daß der angenähert im Bewegungsbauch des Hornsystemteils 4b befindliche Ziehstein
1 die vorerwähnten Schwingungen mitmacht. Das Hornsystem, das senkrecht zur Zeichenebene
eine geringere Dicke aufweist als in der Zeichenebene, weist einen Halterungsring
4c auf, der sich in der Ebene des Bewegungsknotens befindet. Hier kann man Flansche
anbringen und damit das ganze Hornsystem samt Konverter an die Ziehmaschine befestigen.
Durch den Halterungsring 4c
kann man eine Bohrung 5a solcherart
einführen, daß beispielsweise Preßluft iibel eine Zuleitung 5b in den freien Raum
6 eintreten kann. Dieser freie Raum 6 befindet sich zwischen dem liornsystem 4 und
dem mit dem Gewinde 7 an das Ilornsystem 4 angeschraubten Verschluß 8.
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Der Verschluß 8 drückt den Ziehstein 1 fest gegen das sich zum Ziehstein
hin verjüngende Hornsystem 4. Der Verschlußring 8 öffnet sich auf der Eintrittsseite
des Drahtes zu einem Trichter 9, der mit dem vorerwähnten freien Raum 6 durch ein
oder mehrere Kanäle (Bohrungen) 10 in Verbindung steht. Dadurch kann die von der
Zuleitung 5b hergeführte (Preß-)Luft in den Trichterraum 9 gelangen und nach dem
kühlenden Effekt im Zwischenraum 6 schließlich den vor dem Ziehstein sich ansammelnden
Abrieb, staub und Schmutz von der Drahtoberfläche, unter der heftigen Einwirkung
des Ultraschallschwingungen ausübenden Ziehsteines, wegblasen.
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Natürlich müssen alle Dimensionen des ger--amt en akustischen Systems
den Grundbedingungen für Resonanzfrequenz entsprechend ausgelegt werden. Das bedeutet
eine Anpassung der Konfiguration an den Schwingungszustand in ei ner stehenden Welle.
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Die Bedingung fiir Resonanz ist erfiillt, wenn die Länge des Hornsystems
gleich groß oder einem Viel fachen entsprechend von # = f . c ist. hierin bedeutet
f die Frequenz und c die Gehallgeschwindigkeit im Werkstoff, aus dem das Hornsystem
hergestellt ist, vorzugsweise Titan.