DE2825940A1 - Schmiededorn - Google Patents

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

9098 1 1/064 1

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-

909811/0641

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

909811/0641

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- '

909811/0641

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

909811/0641

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

90981 1/0641

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

909811/0641

- 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.

90981 1/0641

/11

Leerseite

Claims (8)

: -,DT _ Jf- ■ Patentansprüche :

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 (I5_fi6) 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. '

909811/0641

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.

909811/0641