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1. Vsesojuzny Zaochny Mashinostroitelny Institut, Moskau
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(UdSSR) 2. Dnepropetrovsky Truboprokatny Zavod imeni V.I. Lenina,
Dnepropetrovsk (UdSSR) 3. Nikopolsky Yuzhno - trubny zavod'-, Nikopol Dnepropetrovskoi
oblasti (UdSSR) Verfahren zum Herstellen von Lochwalzwerkdornen Die Erfindung bezieht
sich auf die Bearbeitunq von Metallen im bildsamen Zustand, und zwar auf ein Verfahren
zum Herstellen von Lochwalzwerkdornen qemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs
1.
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Die Erfindung kann besonders günstig zum Herstellen wassera.ekühlter,
unauswechselbarer Dorne von Rohr-Lochwalzwerken angewendet werden. Sie kann außerdem
beim Herstellen un(Tekühlter, auswechselbarer Dorne für die qleichen Walzwerke wirkungsvoll
r ngesetzt werden.
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Aufgrund eines stark gewachsenen Bedarfs an nahtlose' Rohren und angestiegenen
Automatisierungs- und Leistunasfähiqkeitsstandes der Rohrwarmwalzanlagen hat sich
der Bedarf an haltbaren und zuverlässigen Werkzeugen für den Rohrwalzbetrieb wesentlich
erhöht.
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Zu den am schnellsten verschleißenden Werkzeuaen zur Lochbildung in
einem glühenden Metall-Vollblock gehören Lochwalzwerkdorne, die während des Betriebes
hohen und wechselnden Drücken und, Temperaturen sowie einer starken Beriihrunqsreihuncl
ausgesetzt sind. Von der Fähigkeit der Dorne, diesen Belastungen zu widerstehen,
hängen die Leistung der Rohrwalzanlagen, die Beschaffenheit der Innenfläche der
Rohre und letzten Endes die Wirksamkeit des Rohrwalzwerkbetriebes ab.
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Die schweren Betriebsbedingungen verursachen jedoch eine geringe Lebensdauer
und einen hohen Verbrauch an Lochdornen.
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Eine häufigere Auswechselung der Dorne könnte zwar zur Erhaltung einer
reineren Innenfläche der Rohre beìtraqen. Sie wirkt sich aber auf die Walzleistuns
vermindernd aus und erhöht die Werkzeugkosten.
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Von seiner konstruktiven Ausführunq her qesehen stellt der Dorn einen
spindelförmigen Körper aerodynamischen Profils dar. An seinem vorderen Arbeitsteil
ist der Dorn mit einer zylindrischen Spitze, am hinteren Halterunasteil mit einem
Befestigungselement versehen, das meist in Form eines konischen Sitzhohlraums ausgeführt
ist. Zwischen dem Arbeits-und dem Halterungsteil ist ein zylindrischer Kalibriergürtel
vorgesehen. Zum Walzen von Rohren aus unlegierten und mittellegierten Stählen verwendet
man Dorne mit innerer Wasserkühlung, d.h. wassergekühlte, unauswechselbare Dorne,
die einen tiefen Kühlraum und einen konischen Sitzhohlraum zum hermetisch dichten
Befestigen des Dornes an der Dornstanae
aufweisen. Zum Walzen von
Rohren aus hochleaierten, schwerverformbaren Stählen und Legierungen finden innen
unqekühlte, auswechselbare Dorne mit einem nur wenig tiefen Halterunqshohlraum Verwendung,
Die wassergekühlten Dorne werden aus mittelleqierten Stahlsorten mit einem Gehalt
an C - 0,1 bis 0,2 %, an Cr-1 %, an Ni - 3 bis 4 %, und an V - 1 %, de ungekühlten
Dorne aus den gleichen Stahlsorten sowie. aus hochlegierten Stählen und Legierungen
mit Wolfram, Molybden, Kobald u.a. herqestellt.
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Die Form des Domes, insbesondere eines wasserqekühlten, ist für jedes
beliebige Herstellungsverfahren nicht fertiqunqsgerecht und erfordert eine mehr
oder weniger umfanqreiche spangebende Bearbeitung einzelner Oberflächenabschnitte
des Domes. Doch mit Rücksicht darauf, daß die Lochbildung durch den Dorn erst in
der Anfangsphase des Walzvorqanqs stattfindet, wird die benötigte Rauhigkeit seiner
Oberfläche in einer Größenordnung von Ra= 300+100 tjm durch ließen und esenkschmieden
erzielt.
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Es sind folgende Verfahren zum Herstellen von Dornen bekannt (Kobysky
B.D., Semenow E.I., Kandyba L.F. u.a., Zeitschrift "Stahl", Jahrgang 1979, No. 1,
S. 55-56): a) Formgießen eines Blockes mit einem oder ohne vorläufigen Hohlraum
und mit einer vollständigen oder teilweisen scangebenden Bearbeitung des Hohlraumes.
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b) Schmieden aus einem Voll- oder Hohlblock mit einem oder ohne vorläufigen
Hohlraum und mit einer vollständiqen oder teilweisen spangebenden Bearbeitung der
Außenfläche und des Hohlraums.
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Der Fertigdorn wird einem oxydierenden Glühen unterworfen und in Einzelfällen
mit einer Spitze aus hltzebeständiqem Material durch Aufstäuben oder Aufschmelzen
versehen.
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Das Gießen der Dorne ist ein sehr leistungsintensiver prozeß und.
die Herstellungskosten sind verhältnismäßiq niedriq.
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Aufgrund der physikalischen Eigenschaften des Kristallisationsvorganges
des Flüssigmetalls weist jedoch das Metallgefüge der Dorne eine vorzugsweise radiale
Orientierunq auf, die normal zur Außenfläche des Dornes und der Gle£trichtunq des
Metalls des zu lochenden Knüppels verläuft und die für eine geringe Berührungsfestigkeit
der Arbeitsoberfläche des Dornes und einen kleinen Widerstand in bezug auf Tanqentialspannungen
am konischen Sitzhohlraum verantwortlich ist.
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Unvermeidliche Poren und Lunker schwächen die unter der Randzone liegenden
Metallbereiche und rufen, nachdem sie nach gewisser Abnutzung der Oberfläche des
Dornes ausqetreten sind, Walzfehler an der Innenfläche des Rohres hervor. Die Unbeständiykeit
in der Qualität der gegossenen Dorne bedinqt die Unbeständigkeit des Walzvorganqes
und der Qualität der Rohre. Die für die Verbesserung der Qualität der geqossenen
Dorne in erster Linie infrage kommenden Verfahren, nämlich das zusätzliche Legieren
und die Anwendung metallischer Gießformen (Kokillen), verteuern wesentlich die Dorne,
ohne ihre Eigenschafen durchgehend zu verbessern (sh. CoB-PS 1 441 052 und US-PS
3 962 827).
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Zur Zeit finden geschmiedete Dorne, die ein dichtes, verformtes, vorzugsweise
längs der Dornachse orientiertes Gefüge aufweisen, immer mehr Anwendung. Ein solches
Gefüqe erqibt erhöhte Werte an mechanischen und betrieblichen Eiqenscbaften und
verbessert die Beständigkeit der Dorne.
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Obgleich die Technologie der geschmiedeten Dorne durch einen erhöhten
Metall- und Arbeitsaufwand und gegenüber den segossenen Dornen durch rund zweimal
so hohen Betriebskosten gekennzeichnet wird, ist die Anwendung der geschmiedeten
Dorne im großen und ganzen aufgrund ihrer um das Zwei- bis Dreifache höheren Beständigkeit
und Zuverlässigkeit bevorzugt.
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Die geschmiedeten und spangebend bearbeiteten, d.h. gedrehten Dorne
besitzen jedoch ein nicht vollauf günstics metallographisches Gefüge, weil die Fasern
des Gefüqes während des Entfernens der Zugabe durchschnitten werden und auf die
Arbeitsoberfläche unter einem steilen Winkel austreten. Eine solche Orientierung
des'Gefüges ist im Hinblick auf die Berührungsverschleißfestigkeit ungünstig und
ermöglicht nicht die volle Ausnutzung der Eigenschaften des Dornmaterials zur Verlängerung
der Lebensdauer und Beständiqkeit im Betrieb.
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Alle bekannten Herstellungsverfahren erlauben es also nicht, die Dorne
mit einem erwünschten Metallgefüe und von diesem bestimmten Betriebseigenschaften
herzustellen. Sie sind darüber hinaus nicht hinreichend wirksam.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zuqrunde, ein Verfahren zum
Herstellen von Lochwalzwerkdornen durch Gesenkschmieden zu entwickeln, mit dem unter
praktischer Vermeidunq einer spangebenden Bearbeitung im Dorn ein dichtes metalloqraphisches
Gefüge ausgebildet werden kann, dessen Fasern in den Abriß der Arbeitsoberfläche
des Dorns längs der Flußrichtunq des Metalls des zu lochenden Knüppels konform eingeschrieben
werden.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren zum Herstellen
von Lochwalzwerkdornen,die spindelförmis ausgebildet
sind und an
ihrem Halterungsteil einen axialen konischen Blindhohlraum, an ihrem entgegengesetzten
Arbeitsteil eine Dornspitze und zwischen dem Halterunqs- und dem Arheitsteil.
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einen zylindrischen Kalibriergürtel aufweisen, das in der vorläufigen
Formbildung eines konischen Hohlraumes im Block durch geschlossenes Stauchen desselben
unter vorläufiem Kalibrieren des Hohlraumes und in der nachfolgenden Formbildung
der Außen- und der Innenfläche des Dornes besteht, -erfindungsgemäB nach der vorläufigen
Formbildung des konischen Hohlraumes der Block einem Gesenkschmieden in warmem Zustand
unter geschlossenem Stauchen unterzoqen wird, wobei der Hohlraum im Block auf folgende
Abmessungen vorkalibriert wird: nach dem Außendurchmesser an der Stirnseite des
Halterungsteiles auf 0,9 bis 1,02 des Durchmessers des Kalibriergürtels des Domes,
nach den Außendurchmessern des Arbeitsendes und der Dornspitze auf 0,9 bis 1 der
Durchmesser der jeweiligen Abschnitte des Dorns, nach der Wanddicke am Halterungsteil
und am Arbeitsteil auf 0,7 bis 1 der Wanddicke des Dorns, wonach unter endgültigem
Kalibrieren des Hohlraumes gleichzeitig der Halterungsteil zusammengedrückt und
der Arbeitsteil des Domes gestaucht werden.
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Durch das vorgegebene Verhältnis der sich aus dem qeschlossenen Stauchen
und dem Vorkalibrieren des-Hohlraumes des Blockes ergebenden Abmessungen wird mit
Sicherheit das erwünschte Metallgefüge des Blockes ausgebildet,bei dem die Fasern
konform in den Abriß der Arbeitsoberfläche des Dornes einqeschriehen sind und eine
günstige Ausbildung des Halterungsteiles des Dorns für die nachfolgenden Bearbeitungsstufen,
nämlich das Zusammendrücken und Stauchen sowie endgültiaes Kalibrieren des Hohlraumes
gewährleistet ist. Die Folge der Nichteinhaltung der genannten Parameter können
entweder eine unqenaue Form des konischen Sitzhohlraumes - und dies würde eine spangebende
Nachbearbeitung der Oberfläche erforderlich machen - oder ein
Formverzug
des Halterungsteils sein, was ein nicht auszubessernder Fehler wäre.
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Außerdem führt die Nichteinhaltung der vorgegebenen Parameter zur
Falten-, Klemmen- und Gratbildung an der Trennfuqe des Werkzeugs, d.h. ebenso zu
einem nicht auszubessernden Ausschuß.
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Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß beim Gesenkschmieden
in warmem Zustand unter Vorkalibrieren des Hohlraumes gleichzeitig mit der vorläufigen
Formbildung des konischen ohlraumes die Dornspitze geformt wird.
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Durch Vereinigen der Formbildung der Dornspitze mit der vorläufigen
Formbildung des Hohlraumes nach dem beschriebenen Herstellungsverfahren können eine
qualitätsemaße Cestaltunq der Dornspitze gesichert, ihre vorgegebene Form und Abmessunqen
erzielt und die Gesenkschmiedekräfte vermindert werden, was sich günstig auf die
Haltbarkeit der Hauptteile des Gesenkes, nämlich des Stempels und der Matrize, auswirkt.
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Es ist vorteilhaft, das geschlossene Stauchen des Blockes unter vorläufigem
Kalibrieren des Hohlraumes bei einer'Zunahme der Wanddicke, die 1,25 bis 2,5 beträgt,
bezogen auf den ursprünglichen Wert, durchzuführen, und den Halterungsteil unter
gleichzeitigem Zusammendrücken und endgültigem Kalibrieren bei einem höhenmäßigen
Querschnittsänderungsgrad desselben in einem Bereich von 1 bis 1,5, bezogen auf
den ursprünglichen Wert, zu formen.
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Der erwähnte Bereich der Dornwanddickenabnahmen ist empfehlenswert,
wenn als Ausgangsblock ein Gußformstück mit einem Hohlraum infrage kommt. In diesem
Fall wird das Ausqangsgußgefiiqe in den erwünschten Zonen und in ausreichendem Maße
verdichtet, sodaß der Dorn zufriedenstellende Betriebseigenschaften erhält.
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Mit dem vorgeschriebenen höhenmäßigen Querschnittsänderungsqrad des
Halterungsteils des Knüppels unter gleichzeitigem Zusammendrücken und endgültigem
Kalibrieren desselben wird eine genaue Ausführung der linearen und Winkelmaße des
Halterunqsendes'gesichert.
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Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der
ausführlichen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden Zeichnungen
hervor. In den Zeichnunqen zeigt: Fig. 1 einen wassergekühlten Lochwalzwerkdorn
im Länqsschnitt, Fig. 2 einen Block mit einem vorläufig geformten konischen Hohlraum
im Läfrgsschnitt, Fig. 3 einen Block mit einem vorläufig kalibrierten konischen
Hohlraum im Längsschnitt, Fig. 4 einen Dorn in der Endstufe der Formbildung im Länssschnitt,
und Fig. 5 ein Gußformstück mit einem vorläufig geformten konischen Hohlraum.
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In den Fig.'l bis 5 sind die Elemente und Abschnitte des Dornes in
Reihenfolge der Formbildungsstufen bezeichnet und zwar: 1 - Arbeitsteil, 2 - Dornspitze,
3 - gekühlter Hohlraum des Domes, 4 - Halterungsteil, 5 - konischer Sitzhohlraum,
6 - Kalibriergürtel, 7 - Wasserauslaßöffnungen, d1 und d2 -Durchmesser des konischen
Sitzhohlraumes des Domes, d3 - Durchmesser der großen Grundfläche des vorläufig
kalibrierten konischen Hohlraumes, D1 und D2 - jeweilige Durchmesser des Kalibriergürtels
und des Halterungsteiles des Dorns,
D3 - Durchmesser der Stirnseite
des Blocks in der Vorkalibrierungsstufe des konischen Hohlraumes; D4 und D5 - Durch
messer im Bereich des Arbeitsteils, d4 und d5 - Durchmesser der Dorn'spitze, S und
S - Wanddickenjeweils am Arbeitsteil 1 und am Halterungsteil 4 des Blockes, S'0
und S'1 - jeweilige Wanddicken des Domes. Die Stirnflächen des Domes sind in Fig.
3 und 4 jeweils mit f1 und f2 angedeutet.
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tDen Ausgangsblock, nämlich ein Walzstangenstück, bringt man in einem
Ofen auf die Schmiedehitze und schmiedet diesen in einem Gesenk ohne Gratbahn In
mehreren Schmiedestufen unter Formbildung eines Hohlraumes 3 und gleichzeitigem
Fließpressen am zugespitzten Arbeitsteil 1 einer Dornspitze 2 (Fig. 2).
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Im Fortschreiten des Gesenkschmiedens wird im Block ein konischer
Hohlraum 3 vorkalibriert, wobei dem konischen Sitzhohlraum 5 eine durch die Durchmesser
d2 und d3 bestimmte Form erteilt wird. In der gleichen Stufe werden die Abmessungen
D3 = (0,9 - 1,02/.D1, D5 = /0,9 - 1/.D4, d5 = /0,9 - 1/d4, S1 =/0,7 - 1/.S'1, S0
=/0,7 - 1/.S'0 (Fig. 3)) erzeugt.
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Die endgültige Gestalt des Dorns wird in einem Kalibriergesenk hergestellt,
indem gleichzeitig der Halterungsteil 4 auf den Durchmesser D2 verkleinert, der
Spitzkegel 5 auf die Durchmesser d1 und d2 kalibriert und der Arbeitsteil 1 auf
den Durchmesser D4 gestaucht wird, wobei der Querschnittsänderungsgrad am Halterungsteil
in einem Bereich f1/f2 = 1 - 1,5 (Fig. 4)- gehalten wird.
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Eine Kürzung in der Anzahl der Gesenkschmiedenarbeitsgänge kann dadurch
erzielt werden, daß man den Block mit einem vorläufigen Hohlraum durch einen Formguß
erhält (Fig. 5). Damit sich das Gußgefüge beim weiteren Warmschmieden gründlicher
ausbildet, sind erhöhte örtliche Wanddicken-zunahmen vorgesehen,
die
sich nach der Höhe des Knüppels ändern, und zwar in einem Bereich von 1;25 bis 2,5,
bezogen auf die ursprünglichen Werte, liegen.
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Die Wasserauslaßöffnungen 7 werden gebohrt.
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Die oben angeführten Verhältnisse und Arbeitsweisen ermbvlichen es,
Dorne herzustellen, die ohne weiteres nach minimaler oder sogar ohne jegliche Nachbearbeitung
in den Betrieb. kommen können. Die Nichteinhaltung der genannten Verhältnisse und
Betriebsbedingungen führen zu nicht auszubessernden Fehlern der Dorne, die ihren
Einsatz verhindern.
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Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens: Für das Gesenkschmieden
eines Dorns von 77 mm Durchmesser, 205 mm Länge und 3,8 kg Masse aus Stahl mit einem
Gehalt an C von 0,12 %, an Cr von 1 % und an Ni von 3 % benutzt man einen Block
von 65 mm Durchmesser und 147 mm Länge.
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Man erhitzt den Block auf eine Temperatur von 1250° C, brinqt ihn
in ein Gesenk ein und formt in diesem in mehreren Schmiedestufen durch Lochen und
Fließpressen einen vorläufigen konischen Hohlraum und eine Dornspitze von 25 mm
Durchmesser (Fig. 2). Hiernach kalibriert man den Hohlraum des Dorns vorläufig tiefenmäßig
auf 175 mm (Fig. 3) und verjüngt daraufhin-den Dorn am Halterungsteil unter gleichzeitigem
Kalibrieren des Sitzhohlraumes und bei einem Querschnittsänderungsgrad an diesem
Abschnitt in einem Bereich von 1 bis 1,5 (Fig. 4).
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Nach erfolgtem Gesenkschmieden werden an der Dornspitze Offnungen
von 3 mm Durchmesser (Fig. 1) gebohrt.
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Bei den Kontrollversuchen am Lochwalzwerk einer kontinuierlichen Rohrwalzanlage
hielten diese Dorne im Durchschnitt 1920 Stiche aus, was 4,5 bzw. 1,5 mal mehr ist
als bei unter gleichen Bedingungen eingesetzten gegossenen Dornen (430 Stiche) bzw.
bei geschmiedeten und gedrehten Dornen aus Stahl mit einem Gehalt an C 0,2 %, Cr
1 %, Ni 4 % und V 1 % (1300 Stiche).
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Die metallographische Analyse hat bei dem Material des Dorns ein durchaus
dichtes, der Außenfläche des Dorns konform orientiertes Fasergefüge erkennen lassen.
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Die Erprobung hat auch nachgewiesen, daß die nach der beschriebenen
Technologie hergestellten Dorne aus der genannten Stahl sorte ihre Betriebseigenschaften
nach dem Glühen nicht erhöhen, d.h. keine zusätzliche Wärmebehandlung erfordern.
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Bei anderen Werkstoffen kann sich däs Glühen positiv auswirken.
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Bei der Anwendung eines Gußformstückes als Ausgangsblock (Fig. 5)
für das Gesenkschmieden eines Dornes von 77 mm Durchmesser und 205 mm Länge hat
es sich herausgestellt, daß die Haltbarkeit der Dorne von 430 auf 900 Stiche,d.h.
auf das Zweifache, gestiegen ist. In den am meisten beanspruchten Dornbereichen
ist eine gute Verdichtung des Metalls eährleistet.
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