DE3035289C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Dorns für ein Lochwalzwerk gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Die Erfindung kann besonders günstig zum Herstellen wasserge­ kühlter, unauswechselbarer Dorne von Rohr-Lochwalzwerken angewendet werden. Sie kann außerdem beim Herstellen unge­ kühlter, auswechselbarer Dorne für die gleichen Walzwerke wirkungsvoll eingesetzt werden.

Aufgrund eines stark gewachsenen Bedarfs an nahtlosen Roh­ ren und angestiegenen Automatisierungs- und Leistungsfähig­ keitsstandes der Rohrwarmwalzanlagen hat sich der Bedarf an haltbaren und zuverlässigen Werkzeugen für den Rohr­ walzbetrieb wesentlich erhöht.

Zu den am schnellsten verschleißenden Werkzeugen zur Loch­ bildung in einem glühenden Metall-Vollblock gehören Loch­ walzwerkdorne, die während des Betriebes hohen und wechselnden Drücken und Temperaturen sowie einer starken Berührungsreibung ausgesetzt sind. Von der Fähigkeit der Dorne, diesen Be­ lastungen zu widerstehen, hängen die Leistung der Rohrwalzan­ lagen, die Beschaffenheit der Innenfläche der Rohre und letzten Endes die Wirksamkeit des Rohrwalzwerkbetriebes ab. Die schweren Betriebsbedingungen verursachen jedoch eine geringe Lebensdauer und einen hohen Verbrauch an Lochdornen.

Eine häufigere Auswechslung der Dorne könnte zwar zur Er­ haltung einer reineren Innenfläche der Rohre beitragen. Sie wirkt sich aber auf die Walzleistung vermindern aus und erhöht die Werkzeugkosten.

Von seiner konstruktiven Ausführung her gesehen stellt der Dorn einen spindelförmigen Körper aerodynamischen Profils dar. An seinem vorderen Arbeitsteil ist der Dorn mit einer zylindrischen Spitze, am hinteren Halterungsteil 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 mittel­ legierten Stählen verwendet man Dorne mit innerer Wasser­ kühlung, d. h. wassergekühlte, unauswechselbare Dorne, die einen tiefen Kühlraum und einen konischen Sitzhohlraum zum hermetisch dichten Befestigen des Dornes an der Dornstange aufweisen. Zum Walzen von Rohren aus hochlegierten, schwer­ verformbaren Stählen und Legierungen finden innen ungekühlte, auswechselbare Dorne mit einem nur wenig tiefen Halterungs­ hohlraum Verwendung.

Die wassergekühlten Dorne werden aus mittellegierten Stahl­ sorten mit einem Gehalt an C - 0,1 bis 0,2%, an Cr - 1%, an Ni - 3 bis 4%, und an V - 1%, die ungekühlten Dorne aus den gleichen Stahlsorten sowie aus hochlegierten Stählen und Legierungen mit Wolfram, Molybden, Kobald u. a. hergestellt.

Die Form des Dornes, insbesondere eines wasergekühlten, ist für jedes beliebige Herstellungsverfahren nicht fertigungs­ gerecht und erfordert eine mehr oder weniger umfangreiche spangebende Bearbeitung einzelner Oberflächenabschnitte des Dornes. Doch mit Rücksicht darauf, daß die Lochbildung durch den Dorn erst in der Anfangsphase des Walzvorgangs statt­ findet, wird die benötigte Rauhigkeit seiner Oberfläche in einer Größenordnung von R _a = 300 + 100 µm durch Gießen und Ge­ senkschmieden erzielt.

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 span­ gebenden Bearbeitung des Hohlraums.
• b) Schmieden aus einem Voll- oder Hohlblock mit einem oder ohne vorläufigen Hohlraum und mit einer vollständigen oder teilweisen spangebenden Bearbeitung der Außenfläche und des Hohlraums.

Der Fertigdorn wird einem oxydierenden Glühen unterworfen und in Einzelfällen mit einer Spitze aus hitzebeständigem Material durch Aufstäuben oder Aufschmelzen versehen.

Das Gießen der Dorne ist ein sehr leistungsintensiver Prozeß und die Herstellungskosten sind verhältnismäßig niedrig. Aufgrund der physikalischen Eigenschaften des Kristallisa­ tionsvorganges des Flüssigmetalls weist jedoch das Metall­ gefüge der Dorne eine vorzugsweise radiale Orientierung auf, die normal zur Außenfläche des Dornes und der Gleitrichtung des Metalls des zu lochenden Knüppels verläuft und die für eine geringe Berührungsfestigkeit der Arbeitsoberfläche des Dornes und einen kleinen Widerstand in bezug auf Tangential­ spannungen am konischen Sitzhohlraum verantwortlich ist. Unvermeidliche Poren und Lunker schwächen die unter der Randzone liegenden Metallbereiche und rufen, nachdem sie nach gewisser Abnutzung der Oberfläche des Dornes ausgetreten sind, Walzfehler an der Innenfläche des Rohres hervor. Die Unbeständigkeit in der Qualität der gegossenen Dorne bedingt die Unbeständigkeit des Walzvorganges und der Qualität der Rohre. Die für die Verbesserung der Qualität der gegossenen Dorne in erster Linie infrage kommenden Verfahren, nämlich das zusätzliche Legieren und die Anwendung metallischer Gießformen (Kokillen), verteuern wesentlich die Dorne, ohne ihre Eigenschaften durchgehend zu verbessern (vgl. GB-PS 14 41 052 und US-PS 39 62 897).

Zur Zeit finden geschmiedete Dorne, die ein dichtes, ver­ formtes, vorzugsweise längs der Dornachse orientiertes Gefüge aufweisen, immer mehr Anwendung. Ein solches Gefüge ergibt erhöhte Werte an mechanischen und betrieblichen Eigenschaften und verbessert die Beständigkeit der Dorne.

Obgleich die Technologie der geschmiedeten Dorne durch einen erhöhten Metall- und Arbeitsaufwand und gegenüber den ge­ gossenen 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.

Die geschmiedeten und spangebend bearbeiteten, d. h. gedrehten Dorne besitzen jedoch ein nicht vollauf günstiges metallo­ graphisches Gefüge, weil die Fasern dese Gefüges 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 Be­ rührungsverschleißfestigkeit ungünstig und ermöglicht nicht die volle Ausnutzung der Eigenschaften des Dornmaterials zur Verlängerung der Lebensdauer und Beständigkeit im Betrieb.

Alle bekannten Herstellungsverfahren erlauben es also nicht, die Dorne mit einem erwünschten Metallgefüge und von diesem bestimmten Betriebseigenschaften herzustellen. Sie sind darüber hinaus nicht hinreichend wirksam.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Dorns für ein Lochwalzwerk durch Gesenkschmieden zu entwickeln, mit dem unter praktischer Vermeidung einer spangebenden Bearbeitung im Dorn ein dichtes metallographisches Gefüge ausgebildet werden kann, dessen Fasern in den Abriß der Arbeitsoberfläche des Dorns längs der Flußrichtung des Metalls des zu lochenden Knüppels konform eingeschrieben werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Durch das vorgegebene Verhältnis der sich aus dem geschlosse­ nen 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 eingeschrieben sind und eine günstige Ausbildung des Halterungsteiles des Dorns für die nachfolgenden Bearbeitungsstufen, nämlich das Zusammendrücken und Stauchen sowie endgültiges Kalibrieren des Hohlraumes gewährleistet ist. Die Folge der Nichteinhaltung der genannten Parameter können entweder eine ungenaue Form des konischen Sitzhohlraumes - und dies würde eine spangebende Nachbearbeitung der Oberfläche erforderlich machen - oder ein Formverzug des Halterungsteils sein, was ein nicht auszu­ bessernder Fehler wäre.

Außerdem führt die Nichteinhaltung der vorgegebenen Parameter zur Falten-, Klemmen- und Gratbildung an der Trennfuge des Werkzeugs, d. h. ebenso zu einem nicht auszubessernden Aus­ schuß.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß beim Gesenk­ schmieden in warmem Zustand unter Vorkalibrieren des Hohlraumes gleichzeitig mit dem vorläufigen Formbilden des konischen Hohl­ raumes die Dornspitze geformt wird.

Durch Vereinigen der Formbildung der Dornspitze mit dem vor­ läufigen Formbilden des Hohlraumes nach dem beschriebenen Herstellungsverfahren können eine qualitätsgemäße Gestaltung der Dornspitze gesichert, ihre vorgegebene Form und Abmessungen erzielt und die Gesenkschmiedekräfte vermindert werden, was sich günstig auf die Haltbarkeit der Hauptteile des Gesenkes, nämlich des Stempels und der Matrize, auswirkt.

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 ur­ sprünglichen 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.

Der erwähnte Bereich der Dornwanddickenabnahmen ist empfehlens­ wert, wenn als Ausgangsblock ein Gußformstück mit einem Hohl­ raum infrage kommt. In diesem Fall wird das Ausgangsgußgefüge in den erwünschten Zonen und in ausreichendem Maße verdichtet, so daß der Dorn zufriedenstellende Betriebseigenschaften erhält.

Mit dem vorgeschriebenen höhenmäßigen Querschnittsänderungsgrad des Halterungsteils des Knüppels unter gleichzeitigem Zu­ sammendrücken und endgültigem Kalibrieren desselben wird eine genaue Ausführung der linearen und Winkelmaße des Halterungs­ endes gesichert.

Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der ausführlichen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen hervor. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 einen wassergekühlten Lochwalzwerkdorn im Längsschnitt,

Fig. 2 einen Block mit einem vorläufig geformten konischen Hohlraum im Längsschnitt,

Fig. 3 einen Block mit einem vorläufig kalibrierten konischen Hohlraum im Längsschnitt,

Fig. 4 einen Dorn in der Endstufe der Formbildung im Längs­ schnitt, und

Fig. 5 ein Gußformstück mit einem vorläufig geformten konischen Hohlraum.

In den Fig. 1 bis 5 sind die Elemente und Abschnitte des Dornes in Reihenfolge der Formbildungsstufen bezeichnet und zwar:
1 - Arbeitsteil, 2 - Dornspitze, 3 - gekühlter Hohlraum des Dornes, 4 - Halterungsteil, 5 - konischer Sitzhohlraum, 6 - Kalibriergürtel, 7 - Wasserauslauföffnungen, d ₁ und d ₂ - Durchmesser des konischen Sitzhohlraumes des Dornes, d ₃ - Durchmesser der großen Grundfläche des vorläufig kalibrierten konischen Hohlraumes, D ₁ und D ₂ - jeweilige Durchmesser des Kalibriergürtels und des Halterungsteiles des Dorns, D ₃ - Durchmesser der Stirnseite des Blocks in der Vorkalib­ rierungsstufe des konischen Hohlraumes; D ₄ und D ₅ - Durch­ messer im Bereich des Arbeitsteils, d ₄ und d ₅ - Durchmesser der Dornspitze, S ₀ und S ₁ - Wanddicken jeweils am Arbeitsteil 1 und am Halterungsteil 4 des Blockes, S′ ₀ und S′ ₁ - jeweilige Wanddicken des Dornes. Die Stirnflächen des Dornes sind in Fig. 3 und 4 jeweils mit f ₁ und f ₂ angedeutet.

Den 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).

Im Fortschreiten des Gesenkschmiedes wird im Block ein koni­ scher Hohlraum 3 vorkalibriert, wobei dem konischen Sitz­ hohlraum 5 eine durch die Durchmesser d ₂ und d ₃ bestimmte Form erteilt wird. In der gleichen Stufe werden die Abmessungen D ₃ = (0,9-1,02/ · D ₁, D ₅ = /0,9-1/ · D ₄, d ₅ = /0,9-1/d ₄, S ₁ = /0,7-1/ · S′ ₁, S ₀ = /0,7-1/ · S′ ₀ (Fig. 3)) erzeugt.

Die endgültige Gestalt des Dorns wird in einem Kalibriergesenk hergestellt, indem gleichzeitig der Halterungsteil 4 auf den Durchmesser D ₂ verkleinert, der Sitzkegel 5 auf die Durchmesser d ₁ und d ₂ kalibriert und der Arbeitsteil 1 auf den Durchmesser D ₄ gestaucht wird, wobei der Querschnittsänderungsgrad am Halterungsteil in einem Bereich f ₁/f ₂ = 1-1,5 (Fig. 4) ge­ halten wird.

Eine Kürzung in der Anzahl der Gesenkschmiedenarbeitsgänge kann dadurch erzielt werden, daß man den Block mit einem vor­ läufigen Hohlraum durch eine Formguß erhält (Fig. 5). Damit sich das Gußgefüge bei weiteren Warmschmieden gründlicher ausbildet, sind erhöhte örtliche Wanddickenzunahmen 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.

Die Wasserauslaßöffnungen 7 werden gebohrt.

Die oben angeführten Verhältnisse und Arbeitsweisen ermög­ lichen 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.

Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens:

Für das Gesenkschmieden eines Dorns von 77 mm Durchmesser, 205 mm Länge, 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.

Man erhitzt den Block auf eine Temperatur von 1250°C, bringt ihn in ein Gesenk ein und formt in diesem in mehreren Schmie­ destufen 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 Querschnitts­ änderungsgrad an diesem Abschnitt in einem Bereich von 1 bis 1,5 (Fig. 4).

Nach erfolgtem Gesenkschmieden werden an der Dornspitze Öff­ nungen von 3 mm Durchmesser (Fig. 1) gebohrt.

Bei den Kontrollversuchen am Lochwalzwerk einer kontinuier­ lichen Rohrwalzenanlage hielten diese Dorne im Durchschnitt 1920 Stiche aus, was 4,5 bzw. 1,5mal 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).

Die metallographische Analyse hat bei dem Material des Dorns ein durchaus dichtes, der Außenfläche des Dorns konform orientiertes Fasergefüge erkennen lassen.

Die Erprobung hat auch nachgewiesen, daß die nach der beschrie­ benen Technologie hergestellten Dorne aus der genannten Stahlsorte ihre Betriebseigenschaften nach dem Glühen nicht erhöhen, d. h. keine zusätzliche Wärmebehandlung erfordern. Bei anderen Werkstoffen kann sich das Glühen positiv auswirken.

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 gewähr­ leistet.

Claims (4)

1. Verfahren zum Herstellen eines Dorns für ein Loch­ walzwerk, der spindelförmig ausgebildet ist und an seinem Halterungsteil einen axialen konischen Blind­ hohlraum, an seinem entgegengesetzten Arbeitsteil eine Dornspitze und zwischen dem genannten Halterungs- und Arbeitsteil einen zylindrischen Kalibriergürtel aufweist, bei welchem Verfahren ein vorläufiges Form­ bilden eines konischen Hohlraumes eines Ausgangs­ blocks durch geschlossenes Stauchen desselben zusammen mit einem vorläufigen Kalibrieren des Hohlraumes und ein nachfolgendes Formbilden der Außen- und der Innen­ flächen des Dornes vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem vorläufi­ gen Formbilden des konischen Hohlraumes (3) (siehe Fig. 2) der Ausgangsblock einem Gesenkschmieden im warmen Zustand bei gleichzeitigem geschlossenen Stau­ chen unterzogen wird, wobei der Dorn auf einen Außen­ durchmesser (D ₃) an der Stirnseite des Halterungs­ teiles (4) von 0,9 bis 1,02 des Durchmessers (D ₁) des Kalibrierbügels (6) des fertigen Dornes, auf einen Außendurchmesser (D ₅, d ₅) des Arbeitsteiles (1) und der Dornspitze (2) von 0,9 bis 1 der Durchmesser (D ₄, d ₄) der jeweiligen Abschnitte (1, 2) des fertigen Dornes, auf eine Wanddicke (S ₁, S ₀) am Halterungsteil (4) und Arbeitsteil (1) von 0,7 bis 1 der Wanddicke (S′ ₁ und S′ ₀) des fertigen Dornes, vorkalibriert wird (siehe Fig. 3), wonach unter endgültigem Kalibrieren des Hohlraumes (5) gleichzeitig der Halterungsteil (4) zusammengedrückt und der Arbeitsteil (1) des Dornes gestaucht werden (siehe Fig. 4).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß gleichzeitig mit dem vorläufi­ gen Formbilden des konischen Hohlraumes (3) die Dorn­ spitze (2) geformt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 bzw. 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das geschlossene Stau­ chen des Blockes unter Vorkalibrieren des Hohlraumes (3) bei einer Wanddickenzunahme, die 1,25 bis 2,5 be­ trägt, bezogen auf den ursprünglichen Wert, durchge­ führt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bzw. einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halterungsteil (4) des Dornes bei einem höhen­ mäßigen Querschnittsänderungsgrad desselben von 1 bis 1,5, bezogen auf den ursprünglichen Wert, geformt wird.