DE3542966A1 - Verfahren und vorrichtung zum freiformschmieden von werkstuecken - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Freiformschmieden von Werkstücken in Schmiedepressen bei erhöhten Schmiedetemperaturen, insbesondere von Eisenblöcken bzw. Eisenlegierungsblöcken bei Schmiedetemperaturen im Bereich zwischen etwa 800 und 1250 Grad Celsius.

Beim Freiformschmieden von Werkstücken, d.h. auf Schmiedetemperatur erhitzten Metallblöcken, in einer Schmiedepresse treten beim Recken oder Stauchen zum Teil erhebliche Ausbauchungen mit Rißbildung in den freien Seitenbereichen des Werkstücks auf. Um diese unerwünschten Ausbauchungen wieder zu begradigen, muß das Werkstück gedreht und die Ausbauchungen wieder heruntergedrückt werden. Diese Maßnahmen kosten neben einer zum Teil verschlechterten Oberflächenqualität vor allem Zeit. Der Zeitverlust führt häufig auch dazu, daß die Schmiedetemperatur die zulässige Untergrenze unterschreitet, mit der Folge, daß das Werkstück erneut aufgeheizt werden muß. Der sich dadurch ergebende höhere Energieaufwand ist mit erhöhten Kosten verbunden. Eine Schmierung beim Freiformschmieden kennt der Stand der Technik bisher nicht.

Beim Strang- und Formpressen ist es hingegen bereits bekannt, Glas als Schmiermittel einzusetzen. Das gilt sowohl bei hohen Umformtemperaturen im Bereich von etwa 1100-1250 Grad Celsius, als auch für den Bereich der Warmformgebung. So werden beispielsweise in der Zeitschrift BLECH 11 (1964), Heft 9, Glas oder glasähnliche Materialien als Schutz- und Schmiermittel zum Umformen von Stahl in Strang- und Rohrpressen beschrieben. Das Schutz- und Schmiermittel Glas, das sich zwischen dem heißen, plastisch verformbaren Preßmetall und dem kühleren Stahl der Werkzeuge befindet, bildet dabei einen mehr oder weniger dünnen Film und gleitet mit dem plastisch verformten Stahl an den formgebenden Werkzeugen vorbei. Die Verwendung von Schmiermitteln verringert die Reibung und den Energieverbrauch.

Die Zähflüssigkeit bzw. die Plastizität des Glasfilms verringert den Reibungskoeffizienten auf einen Wert von < 0,05 gegenüber einem Wert von etwa 0,12, der sich ergäbe, wenn der plastische Stahl ohne Glas- Schmierung verpreßt würde. Die Wärmeverluste werden reduziert und die Werkzeuge gleichzeitig dadurch geschützt, daß der Übergang der Wärmemenge auf die Preßwerkzeuge bei der Glasschmierung wesentlich verringert wird, weil die Wärmeleitfähigkeit eines viskosen oder plastischen Glasfilms etwa 10-60 mal geringer ist, als die Wärmeleitfähigkeit einer gleich dicken Schicht aus plastischem Stahl.

Die deutsche Offenlegungsschrift 25 15 222 beschreibt darüberhinaus ein Formpressverfahren bei erhöhten Temperaturen, bei dem man auf die Oberfläche des Rohlings ein Glasschmiermittel aufbringt, mit einer Dicke von nicht mehr als 25 µm. Dieser nach dem Stand der Technik beim Strangpressen bekannte Glasfilm ist sehr dünn und kann daher leicht abreißen; eine ausreichende Schmierung ist dann nicht mehr gewährleistet.

Es ist Aufgabe der Erfindung, beim Freiformschmieden den Stofffluß im Werkstück reproduzierbar und betriebssicher zu beeinflussen und den gesamten Energieaufwand für das Umformen sowie das Erwärmen bzw. das wiederholte Aufheizen der Werkstücke zu verringern, bei gleichzeitiger Verbesserung der Produktqualität, wobei insbesondere die Ausbauchungen und das Auftreten von Rissen verhindert werden sollen. Eine Teilaufgabe der Erfindung besteht auch darin, die wesentlichen Parameter für optimale Stoffflußbedingungen unter Betriebsbedingungen aufzuzeigen.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt erfindungsgemäß dadurch, daß während des Schmiedevorganges eine bei der Schmiedetemperatur wirksame Schmierung des Werkstückes erfolgt. Auf diese Weise wird das Auftreten einer metallischen Berührung zwischen den Gleitflächen des Werkzeugs und des Werkstücks und damit ein Kaltverschweißen, der mechanische Verschleiß sowie die Ausbauchungen vebunden mit einer Rißbildung verhindert. Scharfe Kanten und glatte Oberflächen bleiben beim Umformvorgang nahezu vollständig erhalten. Gleichzeitig wird bei nur geringer Ausbauchung das Breitungsverhalten verbessert, indem das Fließen beim Freiformschmieden im Werkstück begünstigt wird. Die Verwendung eines Schmiermittels erlaubt außerdem erhöhte Stichabnahmen, beispielsweise auch dort, wo maschinenbedingte Kraftgrenzen bestehen. Das Schmiermittel hat ferner den Vorteil, daß dadurch eine Überstreckung an den Werkzeugkanten (mit der Gefahr einer dortigen Rißbildung) vermieden wird.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Schmierung mittels eines bei der Schmiedetemperatur flüssigen Glasfilms erfolgt. In anderen Bereichen der Umformung von Metallen, insbesondere beim Strangpressen wurden mit dieser Technik bereits sowohl im viskosen als auch plastischen Bereich gute Erfolge erzielt. Der gezielte Rückgriff auf diese Erfahrungen verkürzt die Zeit für eine weitere Verfahrensoptimierung durch analoge Übernahme von Ergebnissen. Insgesamt werden auch die Oberflächeneigenschaften des Schmiedeblocks durch Bildung nahezu metallischer Oberflächen ohne Zunderschichten stark verbessert.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Schmierung an allen Kontaktflächen zwischen Werkstück und Werkzeug wirksam ist. Auf diese Weise wird der Einsatz des Schmiermittels optimiert, da nur die Flächen mit einem Schmierfilm versehen werden, die auch einer Belastung ausgesetzt sind.

Ferner wird mit Vorteil das Schmiermittel unmittelbar vor Beginn des Schmiedevorganges auf das Werkstück aufgebracht. Die Kontaktzeiten zwischen Schmierfilm und Werkstück können dadurch minimiert werden, um gegebenenfalls nachteilige chemische Oberflächenreaktionen auszuschließen.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung sieht vor, daß das Schmiermittel in Pulverform flächendeckend aufgebracht wird. Das Glaspulver kann dabei beispielsweise aufgestreut, aufgeblasen oder aufgesprüht werden. Eine derartige Verteilung ist besonders zum Aufbringen relativ dicker Schichten geeignet. Besonders zweckmäßig ist die Korngröße des als Schmiermittel verwendeten Glaspulvers kleiner als 80 µm, vorzugsweise kleiner als 40 µm. Mit Schichtdicken des Schmiermittels in einem Bereich zwischen etwa 100 bis 300 µm wurden beste Ergebnisse erzielt.

Darüberhinaus kann das Schmiermittel auch in einer wässrigen Lösung auf das Werkstück aufgebracht werden. Auf diese Weise können sehr dünne Schichten erzeugt werden.

Es kann außerdem auch zweckmäßig sein, wenn das Schmiermittel in mehreren Schichten aufgetragen wird. Mit dieser Maßnahme kann vorteilhaft das Schmierverhalten optimal eingestellt werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das erstarrte Schmiermittel durch Sandstrahlen entfernt. Erstarrte Glasschichten platzen zumeist von selbst oder spätestens beim Schlichten ab, wobei überraschenderweise eine fast metallische Oberfläche des Blocks erzeugt wird. Die wenigen Reste sind mittels Sandstrahlen sehr einfach und kostengünstig zu entfernen.

Für die Vorrichtung wird die Aufgabe der Erfindung dadurch gelöst, daß eine Einrichtung zum gleichmäßigen und flächendeckenden Aufbringen der Schmiermittelschichten auf das Werkstück im Bereich der Öffnung des Pressengestells angeordnet ist. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Trichter mit einer spaltförmigen Trichteröffnung handeln, der die Breite des Werkstücks überdeckt und mit dem Obersattel verbunden ist. Zweckmäßigerweise wird das Werkstück dann bißweise während des Vorschubs beschichtet, gegebenenfalls durch Drehung des Werkstücks.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht mit Vorteil vor, daß die Einrichtung zum Aufbringen der Schmiermittelschichten auf das Werkstück aus Oberdüsen und Unterdüsen besteht, die vertikal verschiebbar ausgebildet sind. Auf diese Weise kann das Werkstück gezielt von mehreren Seiten gleichzeitig in kurzer Zeit flächendeckend beschichtet werden.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung geben sich aus der nachstehenden Erläuterung eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles. Die Zeichnungsfigur zeigt dabei, beispielhaft auch für andere Pressen, schematisch eine Schmiedepresse ohne Laufholm mit Überflurantrieb. Im Pressengestell (10) ist bekanntermaßen der Zylinder (11) vertikal beweglich geführt. Mit dem Zylinder (11) ist der Obersattelträger mit Obersattel (12) lösbar formschlüssig verbunden. Der Obersattel (12) steht in Wirkungsverbindung mit dem Untersattelträger und Untersattel (13). Dazwischen befindet sich das zu schmiedende Werkstück (20), das von einem nicht dargestellten Manipulator in das Pressengestell eingefahren und gehalten wird. Sobald der Metallblock (20) vom Manipulator zwischen Obersattel (12) und Untersattel (13) in den Wirkungsbereich der Ober- und Unterdüsen (21-24) gelangt, wird ein geeignetes Glaspulver flächendeckend auf das Werkstück (20) gesprüht. Das Glaspulver kann beispielsweise die folgende Analyse aufweisen: SiO₂ min. 70%; Al₂o₃ 0,5-2%; CaO 8%; MgO 3-5%; Fe₂O₃ max. 0,1%; Na₂O + K₂O 13-15%. Zweckmäßigerweise werden sehr feinkörnige Pulver verwendet, beispielsweise in einem Körnungsbereich zwischen 0,04 und 0,08 mm oder kleiner.

Infolge der niedrigen Schmelztemperatur des Glaspulvers, die niedriger ist als die Oberflächentemperatur des Werkstücks (20) bildet sich auf dem Werkstück (20) beidseitig ein flüssiger Schmierfilm (30, 31) mit Schichtdicken zwischen 0,1 bis 0,3 mm aus (Schichtdicken des Schmierfilms sind in der Zeichnungsfigur nicht maßstäblich dargestellt). Das so beschichtete Werkstück (20) wird auf den Untersattel (13) gelegt, wonach der Obersattel (12) zum Schmieden abgesenkt wird. Durch die Schmierung wird der Stofffluß im Werkstück (20) in den Kontaktflächen zum Werkzeug (12, 13) verbessert, die Ausbauchungen in den Seitenflächen weitgehend unterdrückt und ein homogenes Schmieden erreicht. Durch die ebenfalls zu beobachtende Erhöhung der Breitung eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere auch zur Herstellung von Flachmaterialien (sogenannten Brettern).

Wegen der Schmierfilme (30, 31) wird ferner die ansonsten relativ schnelle Abkühlung des Werkstücks (20) sowie der Reibungsbeiwert und damit der Kraftbedarf verringert. Sofern nötig, können zwischen den einzelnen Umformschritten (Bissen) die Schmiermittelschichten (30, 31) über die Düsen (21- 24) ausgebessert oder erneuert werden. Ferner ist es möglich, eine weitere Schmiermittelschicht auf beide bereits vorhandenen Schichten (30, 31) oder einzeln darauf mittels der vertikal verfahrbaren Düsen (21- 24) aufzubringen. Neben einer optischen Kontrolle der Schmierfilme und deren Dicke liegt auch der Einsatz von geeigneten Sensoren zur automatischen Überwachung im Rahmen der vorliegenden Erfindung.

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die Vorrichtung zu dessen Durchführung können auch zum Freiformschmieden anderer Metalle und Metallegierungen, beispielsweise von Aluminium, Titan oder Nickelbasislegierungen eingesetzt werden.

Claims (12)

1. Verfahren zum Freiformschmieden von Werkstücken in Schmiedepressen bei erhöhten Schmiedetemperaturen, dadurch gekennzeichnet, daß während des Schmiedevorganges eine bei der Schmiedetemperatur wirksame Schmierung des Werkstückes erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmierung mittels eines bei der Schmiedetemperatur flüssigen Glasfilms erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmierung an allen Kontaktflächen zwischen Werkstück und Werkzeug wirksam ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmiermittel unmittelbar vor Beginn des Schmiedevorganges auf das Werkstück aufgebracht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmiermittel in Pulverform flächendeckend aufgebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße des als Schmiermittel verwendeten Glaspulvers kleiner als 80 µm, vorzugsweise kleiner als 40 µm ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke des Schmiermittels in einem Bereich zwischen etwa 100 bis 300 µm liegt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmiermittel in einer wässrigen Lösung auf das Werkstück aufgebracht wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmiermittel in mehreren Schichten aufgetragen wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Schmiedevorgang das erstarrte Schmiermittel durch Sandstrahlen entfernt wird.

11. Vorrichtung zum Freiformschmieden von Werkstücken in Schmiedepressen bei erhöhten Schmiedetemperaturen, wobei während des Schmiedevorganges eine bei der Schmiedetemperatur wirksame Schmierung des Werkstückes erfolgt, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum gleichmäßigen und flächendeckenden Aufbringen der Schmiermittelschichten (30, 31) auf das Werkstück (20) im Bereich der Öffnung des Pressengestells (10) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Aufbringen der Schmiermittelschichten (30, 31) auf das Werkstück (20) aus Oberdüsen (21, 22) und Unterdüsen (23, 24) besteht, die vertikal verschiebbar ausgebildet sind.