DE2825940A1 - Schmiededorn - Google Patents
SchmiededornInfo
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Description
Schmiededorn
Die Erfindung bezieht sich auf einen Schmiededorn mit einem hohlen, kühlmitteldurchströmten-Dornkörper und einer
rohrförmigen, von der Kühlmittelzu- und -ableitung durchsetzten
Dornstange, wobei ein kanalbildender Einsatz das Kühlmittel vom freien Dornende her in Kühlkanälen an der
Innenwandung des Dornkörpers entlangführt.
Beim Warmschmieden rohrförmiger Werkstücke über Darn wird der zwischen den Schmiedehämmern liegende Dornkörper
nicht nur hohen mechanischen, sondern auch, beträchtlichen thermischen Belastungen ausgesetzt, was zu großen Verschleißerscheinungen
und damit geringen Standzeiten der Dorne führt. Da die Festigkeits- und Verschleißeigenschaften der
Werkstoffe mit steigender Temperatur rasch abnehmen, wird, um den sich daraus ergebenden Schwierigkeiten beizukommen,
der Dornkörper gekühlt, wobei jedoch einer Kühlung insofern Grenzen gesetzt sind, als ein zu starker Temperaturabfall
über die Wandstärke zwischen äußerer und innerer Oberfläche Risse u.dgl. verursachende Wärmespannungen ergäbe.
Bekannte Schmiededorne besitzen nun durchwegs aus Werkzeugstahl
hergestellte Dornkörper, die mit Wasser gekühlt werden, wodurch die Außentemperatur der Dornkörper einen
Wert von etwa 40O0C bis 500°C nicht übersteigen darf, da
einerseits, bedingt durch die Wasserkühlung, die Innentemperatur des Dornkörpers etwa der Siedetemperatur des
Wassers entspricht und der Dornkörper durchwein größeres
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Temperaturgefälle bedingten Spannungen nicht mehr standhalten kann, anderseits Werkzeugstahl bei höheren Temperaturen
die erforderlichen Verschleiß- und Festigkeitseigenschaften verlieren würde. Beim Schmieden hochlegierter
und warmfester Werkstoffe über Dorn treten jedoch sehr hohe Temperaturen auf, die nahe an die Schmelztemperatur
der Legierungen herankommen. Die Temperatursteigerungen währen! der Umformung sind direkt proportional
zum Formänderungswiderstand der Werkstoffe. Diese Temperatursteigerung bei derartigen Werkstoffen führt zu einer
starken Dornüberhitzung während des Schmiedevorganges.
Bei einer extremen Steigerung der Dornkühlung durch eine hohe Wasserdurchflußmenge kann die Dorntemperatur zwar so
nieder gehalten werden, daß eine hohe Dornlebensdauer erreicht wird, doch kühlt dieser "kalte" Dorn das Schmiedegut zu sehr ab, so daß hochlegierte Metallegierungen ihre
Verformbarkeit verlieren und beim Schmieden stark brüchig werden. Wassergekühlte Dorne sind daher für das Schmieden
hochlegierter warmfester Werkstoffe vollkommen ungeeignet.
Außerdem bringt das Kühlmittel Wasser auch noch den Nachteil einer stets recht schroffen Kühlung mit sich, da
es wegen der Verstopfungsgefahr durch Kesselsteinbildung nur in relativ großen Kühlkanälen zu führen ist, was eine
Anpassung der Kühlwirkung an verschiedene Verhältnisse bzw. an den Arbeltsablauf einer Schmiedemaschine ausschließt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diese Mängel zu beseitigen und einen Schmiededorn der eingangs
geschilderten Art zu schaffen, der sich durch eine hohe Verschleißfestigkeit bei Oberflächentemperaturen bis ca.
900 C auszeichnet, durch seine hohe mögliche Außentemperatur keine wesentliche Temperatursenkung am Schmiedegut hervorruft
und eine weitgehend regulierbare Kühlung aufweist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch» daß der Dornkörper
einen Außenmantel aus hochwarmfestern Werkstoff, vor-
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zugsweise einer Nickel- oder Kobaltbasislegierung, besitzt, der eine Trägerhülse aus Werkzeugstahl
oder ähnlich festen Werkstoffen umgibt, und daß als Kühlmittel ein Wasser-Luft-Gemisch dient. Dieser Außenmantel
verleiht dem Dornkörper auf Grund seiner besonderen Eigenschaften auch bei hohen Temperaturen die gewünschte
Verschleißfestigkeit und die Trägerhülse gibt ihm die notwendige Härte und Steifigkeit, die das Hülsenmaterial
jedoch nur bis zu einer gewissen Temperaturhöchstgrenze sicherstellt, deren Einhaltung das nicht zu stark und nicht
zu schwach kühlende Wasser-Luft-Gemisch ermöglicht, ohne anfällige Kühlkanäle kleinen Querschnittes verwenden zu
müssen. Der erfindungsgemäße Schmiededorn kann daher auch bei extremen Schmiedeverhältnissen mit ausreichender Standzeit
eingesetzt werden und eignet sich besonders zur Herstellung rohrförmiger Werkstücke aus hochlegiertem Stahl.
Beim Schmieden von hochlegiertem Stahl ist mit Schmiedetemperaturen von 1100° bis 1250°C zu rechnen, so daß der
Außenmantel des Dornkörpers außen auf 800° bis 900°C aufgeheizt wird. Durch die Kühlung mit einem Wasser-Luft-Gemisch
kann die mantelseitige Oberflächentemperatur der Trägerhülse unterhalb von 400° bis 500 C gehalten werden,
was nicht nur den Bestand der Pestigkeitseigenschaften des Hülsenwerkstoffes gewährleistet, sondern auch den Temperaturabfall
zwischen Mantelaußen- und -Innenseite bzw. zwischen HüTsenaußen- und -innenseite innerhalb einer vertretbaren
Größenordnung hält.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn erfindungsgemäß zur Beeinflussung der Kühlwirkung die Zusammensetzung und
Fördermenge des Wasser-Luft-Gemisches von 100?ί Wasser über
Jedes Wasser-Luft-Verhältnis bis zu 100# Luft einstellbar
sind. Da die Kühlwirkung vor allem vom Wassergehalt abhängt, kann insbesondere durch Regulierung des Wassergehaltes
der Temperaturgradient im Dornkörper, also im Außenmantel und in der Trägerhülse, verändert werden, was eine
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Anpassung an verschiedene Temperaturverhältnisse beim Schmieden erlaubt. Auch ist es möglich, durch starke
Drosselung bzw. Absperren der Wasserzufuhr die Kühlwirkung auf ein Maß herabzusetzen, das ein Warmhalten des Domes
während des Werkstückwechsels gestattet.
Um zur Kühlung ein entsprechendes Gemisch zur Verfügung zu haben, besteht erfindungsgsmäß die Kühlmittelzuleitung
aus zwei koaxialen Rohren, von denen das äußere Rohr für die Druckluftförderung und das innere, vorzugswefe aus
dem äußeren hervorragende und endseitig mit einer Zerstäuberdüse . ausgerüstete Rohr für die Wasserförderung
bestimmt sind.
Um der Erwärmung bzw. Verdampfung im Wasser-Luft-Gemisch
während der Kühlung Rechnung zu tragen, weisen in einer Weiterbildung der Erfindung die Kühlkanäle eine sich
in Strömungsrichtung vergrößernde Tiefe auf.
Da für einen gleichmäßigen und guten Kühleffekt die Verteilung und Größe der Kontaktflächen zwischen Kühlmittel
und Dornkörper maßgebend sind, verlaufen erfindungsgemäß die Kühlkanäle schraubenlinienförmig.
Um die Standzeiten des Schmiededornes noch zu erhöhen, ist der Außenmantel mit einer gegenüber dem zu schmiedenden
Werkstück als Gleitschicht wirkenden Hüllschicht versehen. Diese Hüllschicht verringert nicht nur die Reibungskräfte
zwischen Werkstück und Dornkörper, sondern verbessert auch die Verschleißfestigkeit des Außenmantels.
In einer günstigen Weiterentwicklung der Erfindung
weist der Außenmantel sich gegen die Trägerhülse hin kegelig verjüngende Stirnflächen auf, denen jeweils ein sich an
der Trägerhülse abstützender Haltering zugeordnet ist, der mit einem vorspringenden Randwulst an der Stirnfläche anliegt.
Dadurch ergibt sich einerseits eine für Wärmedehnungen des Außenmantels gegenüber der Trägerhülse aufnahmefähige
Verspannung des Außenmantels und anderseits eine Befesti- '
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gung des Außenmantels, die auch einem eventuell durch Wärmerisse od.dgl. beschädigten Mantel einen Halt an der
Trägerhülse gibt, da die an den Stirnflächen anliegenden RandwUlste nicht nur eine axiale, sondern auch eine radial
zur Trägerhülse gerichtete Verspannungskomponente bedingen, die ein Ablösen der Mantelteile von der Trägerhülse verhindern.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist zwischen einem der Halteringe und der hülsenfesten Abstützung ein
Dehnungsausgleich vorzugsweise in Form eines ringförmigen Bruchgliedes vorgesehen. Durch diesen Ausgleich soll die
Mantelhalterung auch besonders starken Wärmedehnungen gerecht werden.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand in einem Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt, und
zwar zeigen Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Schmiededorn während eines Schmiedevorganges im Axialschnitt und
Fig. 2 den Dornkörper dieses Schmiededorns in größerem Maßstab.
Zum Überdornschmieden rohrförmiger Werkstücke wird das Werkstück 1 mittels der Spannbacken 2 bzw. einer Stützhülse
3 eines nur angedeuteten Spannkopfes 4 einer entsprechenden, nicht dargestellten Schmiedemaschine,durch
die gegeneinanderschlagenden Hämmer 5 geführt und über den
zwischen den Hämmern 5 feststehenden DornkSrper 6 des
Schmiededorns abgeschmiedet. Zur Halterung des Dornkörpers 6 und zu seiner Manipulation dient eine Dornstange 7, die
denjSpannkopf 4 frei beweglich durchsetzt und auf einem eigenen, ebenfalls nur angedeuteten Dornschlitten 8 lagert,
der unabhängig vom Spannkopf 4 verschiebbar ist.
Um beispielsweise auch rohrförmige Werkstücke 1 aus hoGhlegiertem Stahl abschmieden zu können, muß der Dornkörper
6 den dabei auftretenden Schmiedetemperaturen von 1100° bos 12000C aussetzbar sein. Damit der Dornkörper auch
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bei hohen Temperaturen genügend verschleißfest ist und die erforderlichen Festigkeitseigenschaften aufweist, besitzt
er einen Außenmantel 9 aus hochwarmfestern Werkstoff,
z.B. einer Nickel- oder Kobaltbasislegierung, die eine entsprechend feste Trägerhülse 10, z.B. aus Werkzeugstahl,
umgibt, Diese Trägerhülse 10 ist dazu noch innenseitig mit einem Wasser-Luft-Gemisch gekühlt, das in schraubenförmig
verlaufenden Kühlkanälen 11 der Innenwandung der Trägerhülse 10 entlangströmt. Die Kühlkanäle 11 werden von
einem Einsatz 12 gebildet, der zur Trägerhülse 10 hin offene Außennuten 13 aufweist und passend in der Trägerhülse 10 steckt. Die durch die rohrförmige Dornstange 7
verlegte Kühlmittelzuleitung mündet in einer Axialbohrung 14 des Einsatzes 12 und besteht aus zwei koaxialen
Rohren 15,16, von denen das äußere 15 Druckluft und das innere 16, das aus dem äußeren Rohr 15 vorragt und endseitig
mit einer Sprühdüse 17 ausgerüstet ist, Wasser führt. Durch das Versprühen des Wassers innerhalb des
Luftstromes ergibt sich ein homogenes Wasser-Luft-Gemisch
als Kühlmittel, das aus der Bohrung 14 des Einsatzes 12 im Dornendbereich austritt, von einer entsprechenden Ringfläche
18 eines AbSchlußstopfens 19 der Trägerhülse 10
umgelenkt und den Kühlkanälen 11 zugeleitet wird. Beim Durchströmen der Kühlkanäle vom Dornende her wird die
Trägerhülse 10 im gewünschten Maße gekühlt, wobei durch die Wärmeaufnahme das Wasser im Wasser-Luft-Gemisch verdampft.
Um dem sich dabei vergrößernden Gemischvolumen Rechnung zu tragen, vergrößert sich in Strömungsrichtung
die Tiefe der Nuten 13. Die Kühlkanäle 11 münden in die Kühlmittelableitung 20, die durch den radialen Abstand
zwischen dem äußeren Zuleitungsrohr 15 und der Innenwandung der Trägerhülse 10 bzw. der rohrförmigen Dornstange 7 entsteht.
Am Dornschlitten 8 sind zur Aufrechterhaltung und
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Regelung des Kühlmittelkreislaufes entsprechende Anschlüsse 21,22,23 vorgesehen, wobei über den Anschluß 21 das Rohr
15 mit Druckluft und über den Anschluß 22 das innere Rohr
16 mit Wasser versorgt werden, hingegen der Anschluß 23 der Gemischableitung dient. Um durch Änderung der Druck-
und Mengenverhältnisse im Wasser-Luft-Gemisch die Kühlwirkung im Dornkörper beeinflussen zu können, ist in die
Druckluftversorgungsleitung 24 ein einstellbares Druckbegrenzungsventil 25 und in die Wasserversorgungsleitung 26
für das von der Pumpe 27 geförderte Wasser ein verstellbares Drosselventil 28 eingebaut.
Da bei den hohen auftretenden Schmiedetemperaturen auch große Wärmedehnungen vor allem des Außenmantels 9
zu erwarten sind, muß für dessen dehnungsgerechte Halterung
gegenüber der Trägerhülse 10 gesorgt sein. Dazu sind die Stirnflächen 29 des Außenmantels 9 zur Trägerhülse 10 hin
kegelig zulaufend und wirken mit gegenüber der Trägerhülse abgestützten Halteringen 30 zusammen, deren vorspringender
Randwulst 31 an den Stirnflächen 29 anliegt. Dieser Randwulst gibt bei Wärmedehnungen des Außenmantels 9 etwas nach
und drückt vor allem den Außenmantel mit einer entsprechenden
Kraftkomponente an die Trägerhülse, so daß auch eventuell auftretende Risse od.dgl. kein Lockern der Mantelhalterung
hervorrufen. Um größere Wärmedehnungen aufnehmen zu können, ist zwischen einem der Halteringe 30 und der hülsenfesten
Abstützung 32 ein ringförmiges Bruchglied 33 vorgesehen, das bei Uberbeanspruchung bricht und dadurch Deformationen
bzw. Beschädigungen des Außenmantels verhindert.
Da der Dornkörper einen warmverschleißfesten Außenmantel und eine formfeste Trägerhülse aufweist, deren
Temperaturgradienten auf Grund der Kühlung mit einem einstellbaren Wasser-Luft-Gemisch innerhalb der zulässigen,
vom Werkstoff abhängigen Grenzen gehalten werden kann, und
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- ίο -
zwar auch bei Schmiedetemoeraturen von 100 und 1200 C,
gestattet der erfindungsgemäße Schmiededorn ein bisher nicht mögliches Schmieden von Hohlkörpern aus hochlegierten metallischen Werkstoffen.
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Claims (8)
1.J Schmiededorn mit einem hohlen, kühlmitteldurchströmten
Dornkörper und einer rohrförmigen, von der Kühlmittelzu- und -ableitung durchsetzten Dornstange, wobei ein kanalbildender
Einsatz das Kühlmittel vom freien Dornende her in Kühlkanälen an der Innenwandung des Dornkörpers entlangführt,
dadurch gekennzeichnet, daß der Dornkörper (6) einen Außenmantel (9) aus hochwarmfestem Werkstoff, vorzugsweise
einer Nickel-oder Kobaltbasislegierung, besitzt,
der eine Trägerhülse (10) aus Werkzeugstahl oder ähnlich festen Werkstoffen umgibt, und daß als Kühlmittel
ein regelbares Wasser-Luft-Gemisch dient.
2. Schmiededorn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beeinflussung der Kühlwirkung die Zusammensetzung
und Fördermenge des Wasser-Luftgemisches von 100% Wasser
über 3edes Wasser-Luft-Verhältnis bis zu 100% Luft einstellbar
sind.
3. Schmiededorn nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelzuleitung aus zwei koaxialen
Rohren (I5fi6) besteht, von denen das äußere Rohr (15)
für die Druckluftförderung und das innere, vorzugsweise aus dem äußeren hervorragende und endseitig mit einer Zerstäuberdüse
(17) ausgerüstete Rohr (16) für die Wasserförderung bestimmt sind.
4. Schmiededorn nach einem der Ansprüche 1 bis 3* dadurch
gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (11) eine sich in Strömungsrichtung vergrößernde Tiefe aufweisen.
5. Schmiededorn nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (11) schraubenlinienförmig verlaufen. '
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ORIGINAL INSPECTED
6. Schmiededorn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel (9) mit einer gegenüber dem zu
schmiedenden Werkstück als Gleitschicht wirkenden Hüllschicht versehen ist.
7. Schmiededorn nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel (9) sich gegen die Trägerhülse
(10) hin keglig verjüngende Stirnflächen (29) aufweist, denen jeweils ein sich an der Trägerhülse abstützender
Haltering (30) zugeordnet ist, der mit einem vorspringenden Randwulst (31) an der Stirnfläche (29) anliegt.
8. Schmiededorn nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem der Halteringe (30) und der hülsenfesten
Abstützung (32) ein Dehnungsausgleich vorzugsweise in Form eines ringförmigen BruchJ-iedes (33) vorgesehen ist.
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